Archivo de la categoría: Comunicación

Conceptos Básicos de Comunicaciones

La telemática es una disciplina científica y tecnológica, originada por la convergencia entre las tecnologías de las telecomunicaciones y de la informática.

Algunas de las aplicaciones de la telemática podrían ser cualquiera de las siguientes:

  • Cualquier tipo de comunicación a través de internet (como por ejemplo el acceso a páginas web o el envío de correos electrónicos) es posible gracias al uso de las tecnologías desarrolladas en este ámbito.
  • El uso de las mensajerías instantáneas está directamente relacionado con la telemática, ya que esta materia se encarga en parte de controlar ese intercambio de mensajes entre dos entidades distintas.
  • Los sistemas GPS (Global Positioning System).

Más información: http://es.wikipedia.org/wiki/Telem%C3%A1tica

Protocolos de comunicación

Un protocolo de comunicación es un conjunto de normas que están obligadas a cumplir todos las máquinas y programas que intervienen en una comunicación de datos entre ordenadores, o cualquier otro dispositivo sin las cuales la comunicación resultaría caótica y por tanto imposible.

En nuestro caso vamos a ver Arduino como el elemento para comunicar cualquier elemento físico con otro mediante una red interna o Internet usando diversos protocolos estándar. Arduino es capaz de implementar estos protocolos mediante programación o usando librerías.

Por ejemplo, podemos usar Arduino para conectar un sistema de riego y una estación meteorológica o con una plataforma de terceros (https://opendata.aemet.es/centrodedescargas/inicio) a través de Internet usando protocolos estándar.

Los protocolos de comunicación permiten el flujo información entre equipos distintos con diferentes características pero que hablan el mismo lenguaje (protocolo) que lo tienen implementado internamente o usan una pasarela intermedia, por ejemplo, dos ordenadores conectados en la misma red pero con protocolos diferentes no podrían comunicarse jamás, para ello, es necesario que ambas “hablen” el mismo idioma. El protocolo TCP/IP fue creado para las comunicaciones en Internet. Para que cualquier ordenador o dispositivo que se conecte a Internet es necesario que tenga instalado este protocolo de comunicación, ya sea mediante una tarjeta de red o WiFi.

Más información en: http://es.wikipedia.org/wiki/Protocolo_de_comunicaciones

Capas OSI

En el campo de las redes informáticas, los protocolos se pueden dividir en varias categorías. Una de las clasificaciones más estudiadas es la OSI.

Según la clasificación OSI, la comunicación de varios dispositivos se puede estudiar dividiéndola en 7 niveles, que son expuestos desde su nivel más alto hasta el más bajo:

Nivel Nombre Categoría
Capa 7 Nivel de aplicación Aplicación
Capa 6 Nivel de presentación
Capa 5 Nivel de sesión
Capa 4 Nivel de transporte
Capa 3 Nivel de red Transporte de datos
Capa 2 Nivel de enlace de datos
Capa 1 Nivel físico

Pinchando en cada capa hay una explicación detallada de cada una.

  • Capa física: Es la que se encarga de la topología de la red y de las conexiones globales de la computadora hacia la red, tanto en lo que se refiere al medio físico como a la forma en la que se transmite la información.
    Más información: http://es.wikipedia.org/wiki/Capa_f%C3%ADsica
  • Capa de enlace de datos: Esta capa se ocupa del direccionamiento físico, del acceso al medio, de la detección de errores, de la distribución ordenada de tramas y del control del flujo. Es uno de los aspectos más importantes a revisar en el momento de conectar dos ordenadores, ya que está entre la capa 1 y 3 como parte esencial para la creación de sus protocolos básicos, para regular la forma de la conexión entre ordenadores determinando el paso de tramas. (trama = unidad de medida de la información en esta capa, que no es más que la segmentación de los datos trasladándose por medio de paquetes)
    Más información: http://es.wikipedia.org/wiki/Capa_de_enlace_de_datos
  • Capa de red: Se encarga de identificar el enrutamiento existente entre una o más redes. Las unidades de información se denominan paquetes, y se pueden clasificar en protocolos enrutables y protocolos de enrutamiento. El objetivo de la capa de red es hacer que los datos lleguen desde el origen al destino, aún cuando ambos no estén conectados directamente. Los dispositivos que facilitan tal tarea se denominan encaminadores o enrutadores, aunque es más frecuente encontrarlo con el nombre en inglés routers.
    Más información: http://es.wikipedia.org/wiki/Capa_de_red
  • Capa de transporte: Capa encargada de efectuar el transporte de los datos (que se encuentran dentro del paquete) de la máquina origen a la de destino, independizándolo del tipo de red física que esté utilizando. En el caso del protocolo TCP/IP, la PDU de la capa 4 se llama Segmento o Datagrama, dependiendo de si corresponde a TCP o UDP. Sus protocolos son TCP y UDP; el primero orientado a conexión y el otro sin conexión. Trabajan, por lo tanto, con puertos lógicos y junto con la capa red dan forma a los conocidos como Sockets IP:Puerto (191.16.200.54:80).
    Más información: http://es.wikipedia.org/wiki/Capa_de_transporte
    Listado de puertos TCP/UDP: http://www.iana.org/assignments/service-names-port-numbers/service-names-port-numbers.xhtml
  • Capa de sesión: Esta capa es la que se encarga de mantener y controlar el enlace establecido entre dos dispositivos que están transmitiendo datos de cualquier índole. Por lo tanto, el servicio provisto por esta capa es la capacidad de asegurar que, dada una sesión establecida entre dos máquinas, la misma se pueda usar para las operaciones definidas de principio a fin, reanudándose en caso de interrupción. En muchos casos, los servicios de la capa de sesión son parcial o totalmente prescindibles.
    Más información: http://es.wikipedia.org/wiki/Capa_de_sesi%C3%B3n
  • Capa de presentación: El objetivo es encargarse de la representación de la información, de manera que aunque distintos equipos puedan tener diferentes representaciones internas de caracteres los datos lleguen de manera reconocible. Esta capa cumple tres funciones principales. Estas funciones son las siguientes: Formateo de datos, Cifrado de datos y Compresión de datos.
    Más información: http://es.wikipedia.org/wiki/Capa_de_presentaci%C3%B3n
  • Capa de aplicación: Ofrece a las aplicaciones la posibilidad de acceder a los servicios de las demás capas y define los protocolos que utilizan las aplicaciones para intercambiar datos, como correo electrónico (Post Office Protocol y SMTP), gestores de bases de datos y servidor de ficheros (FTP), por UDP pueden viajar (DNS y Routing Information Protocol). Hay tantos protocolos como aplicaciones distintas y puesto que continuamente se desarrollan nuevas aplicaciones el número de protocolos crece sin parar.
    Cabe aclarar que el usuario normalmente no interactúa directamente con el nivel de aplicación. Suele interactuar con programas que a su vez interactúan con el nivel de aplicación pero ocultando la complejidad subyacente. En el caso de Arduino se utilizan unas librerías que implementan el protocolo y ofrecen una serie de métodos que son usando de forma sencilla en el sketch para realizar la comunicación.
    Más información: http://es.wikipedia.org/wiki/Capa_de_aplicaci%C3%B3n

Pila OSI:

Estas imágenes explican claramente lo que ocurre al pasar de capa a capa antes de mandar los bits por el medio físico.

Más información en: http://es.wikipedia.org/wiki/Modelo_OSI

Por ejemplo modbus es un protocolo de capa 7 y en su parte física usa el protocolo RS-485 que engloba las capas 1 y 2 y define la características físicas de la comunicación como el voltaje de las señales enviadas.

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Comunicaciones IoT

Esta conferencia sobre IoT con Arduino fue expuesta el 1 de abril de 2017 con motivo del Arduino Day. Puedes ver el video de la conferencia completa en http://www.innovarioja.tv/index.php/video/ver/1661


Una de las principales ventajas de Arduino es que podemos dotarlo de comunicación de una forma sencilla añadiendo un shield o una breakout board y dispondremos de casi cualquier tipo de comunicación tanto de acceso a Internet como para comunicar arduinos entre sí o con otros dispositivos en una red privada.

Conectividad, tecnologías para conectar el HW con Internet o una red

  • Ethernet
  • WiFi
  • Buses de campo industriales (Modbus, RS485, etc…)
  • Zigbee/XBee
  • LoWaRan, LPWAN, LoWPAN
  • Sigfox (se transmiten mensajes de 12 bytes, pudiendo enviar 140 mensajes al día)

Ultra Narrow Band:

  • Bluetooth/wifi/NFC/ANT+ y los beacons
  • nRF24L01 is a highly integrated, ultra low power (ULP) 2Mbps RF transceiver IC for the 2.4GHz ISM (Industrial, Scientific and Medical) band.
  • NB-IoT: es la solución propuesta por los fabricante de equipamiento LTE para dar cobertura a IoT desde la redes celulares ya existentes.
  • Satélite
  • LTE/3G
  • IEEE 802.11ah la wifi sub 1GHz

Qué es IoT

Esta conferencia sobre IoT con Arduino fue expuesta el 1 de abril de 2017 con motivo del Arduino Day. Puedes ver el video de la conferencia completa en http://www.innovarioja.tv/index.php/video/ver/1661


Internet de las cosas (en inglés Internet of things, abreviado IoT) es un concepto que se refiere a la interconexión digital de objetos cotidianos con Internet.

Definición de wikipedia: https://es.wikipedia.org/wiki/Internet_de_las_cosas

Arduino es un elemento que nos permite de forma sencilla y económica conectar cosas a Internet. Con un sencillo módulo ethernet o wifi podemos conectar Internet sensores para informar, motores controlados desde cualquier lado del mundo o mandar un SMS o email cada vez que se abra la puerta de casa.

Arduino se ha convertido una figura destacada e incluso uno de los impulsores del IoT y no por casualidad, sino que  por sus características es un HW con gran capacidad para usar en proyectos de IoT.

Características de Arduino para IoT

  • Barato y rápido prototipado.
  • HW libre y por lo tanto es modificable para que consuma menos y para hacer un HW final de características industriales.
  • Disponibilidad de HW de comunicaciones de todo tipo para conectar con Arduino. Nuevas tecnologías de comunicación llegan antes que para elementos comerciales
  • Librerías y SW público para su reutilización o adaptación.
  • Flexibilidad en la programación.
  • Apoyo de la comunidad.

IoT en su amplio concepto es conectar a Internet cualquier cosa, teniendo sentido o sin tenerlo. Por ejemplo, podríamos conectar a internet un sofá con un Arduino y unos pocos sensores, este sofá podría tuitear que nos acabamos de sentar a ver nuestra serie favorita, simplemente detectando el peso de la persona y conectándose a una API de un servidor de streaming como netflix y comprobando que acabo de poner un capítulo de Narcos. Pero esta idea para netflix podría ser muy interesante, monitorizar a la gente que ve su canal.

Otra aplicación de IoT y usando arduino como herramienta, es la de obtener información externa disponible mediante APIs del open data. Un ejemplo es el de un sistema de riego automático que podemos tener en una huerta. En los inicios de la automatización se usaron programadores conectados a una electroválvula donde indicamos las horas entre las que deseamos regar. El siguiente paso fue poner detectores de lluvia para no regar si estaba lloviendo. Otro paso fue poner sensores de temperatura y humedad ambientales y sensores de humedad de suelo que nos indican cuándo debemos regar y en qué áreas de nuestra huerta.

El paso más avanzado que ofrece el IoT es poder conectar todo este sistema, ya de por sí muy eficiente, a los opendata meteorológicos disponibles en Internet como el de la aemet (http://www.aemet.es/es/datos_abiertos/AEMET_OpenData) y que nuestro sistema obtenga datos de prediciones meteorológicas y decida no regar si la predicción de lluvia es mayor del 80% en los próximos dos días o simplemente ajustar el algoritmo de riego en función los valores de los sensores + es de los datos meteorológicos. También puede recibir alertas de tormenta o pedrisco y tomar determinadas acciones o simplemente mandar un email o SMS al propietario del huerto. ¿Podríamos hacer esto con un sistema comercial?

Esto podría extenderse a explotaciones agrícolas usando un servicio como el sistema de información agroclimática de La Rioja:

IoT nos permite actualizar procesos productivos al siglo XXI (Retrofit)

Para mi, IoT no es que un coche se pueda conectar a Internet para ver videos de youtube, sino que este coche esté conectado a Internet para que pueda actualizar su firmware automáticamente sin necesidad de ir al concesionario, pueda ser inmovilizado en caso de robo o pueda mandar datos de los parámetros internos del coche para que sean analizados y poder detectar alertas precoces de fallo y actualizar automáticamente ese fallo sin que el usuario tenga que hacer nada o avisar al usuario para que lleve el coche a reparar y parar el coche si el usuario no ha llevado a revisión al cabo de unos kms para evitar males mayores.

Explicación de IoT http://www.kaaproject.org/iot-101-what-is-an-iot-platform/

Cómo Conectar a Internet una Tostadora?

Veamos un resumen de los elementos que necesitamos para conectar un dispositivo a Internet y hacer un proyecto de IoT completo.

Supongamos que quiero conectar mi tostadora a Internet y hacer un sistema que conecte mi coche con la tostadora y cuando me acerque a casa ponga en funcionamiento la tostadora y además me informe en el móvil que la tostadora se pone un funcionamiento y me indique la temperatura de la tostadora.

Lo primero que necesito es un sensor para medir la temperatura y un actuador que encienda la tostadora. Para poder leer el sensor y poder manejar el actuador necesitaré un microcontrolador con entradas (sensor) y salidas (actuador), por ejemplo, un Arduino.

Ahora ya puedo leer los datos de la tostadora y encenderla, el siguiente paso es conectarla a Internet.

Primero necesito acceso a Internet (conectividad), puedo usar ethernet, pero ¿Quien tiene una toma de red en la cocina?

Mejor usando comunicaciones inalámbricas como: wifi, bluetooth, redes móviles, XBee, etc…

Una vez tenemos conectividad, necesitamos un protocolo de comunicación para comunicar los datos y las órdenes entre los distintos dispositivos.

  • HTTP REST

  • MQTT

Supongamos tenemos nuestra tostadora con un Arduino integrado y un chip WiFi. Hay dos formas en la que pueden hablar entre el geolocalizador del coche y nuestra tostadora.

  1. Tener uno de los dispositivos trabajando como servidor con una dirección IP, de forma que el otro dispositivo se pueda conectar en cualquier momento.
  2. Tener un tercer servidor y tanto la tostadora como el coche se conecten al servidor y este mande mensajes a uno y otro.

La opción 1 es la más barata al no necesitar un elemento extra, pero al menos uno de los dispositivos necesita una IP pública conocida y fija, además hay que abrir puertos en el router de casa lo que supone una dificultad adicional y un punto más en la seguridad.

En la opción 2 el servidor maneja los mensajes, en el caso de MQTT se trata del broker. Es un elemento neutral al que las “cosas” se pueden conectar para enviar y recibir mensajes.

Adicionalmente podemos tener una plataforma que almacene datos y luego podamos visualizarlos, analizarlos, hacer cuadros de mando o interactuar con otras plataformas o servicios de terceros.

En resumen, al hacer un proyecto IoT debemos hacernos estas preguntas:

  • Qué quieres medir?
  • Cómo lo quieres conectar?
  • Qué quieres hacer con los datos?

Elementos que intervienen en el IoT

Elementos en IoT:

  • Plataformas Software, para tratar los datos recogidos por nuestros sensores y almacenarlos. Pueden ser plataformas de terceros o plataformas propias desarrolladas por nosotros o simplemente guardar en BBDD propias. Por ejemplo: Carriots, Thingspeak, Temboo, Thinger, etc…
    Además todas estas plataformas SW que están en la nube, deben estar soportadas por un HW de servidores, unas BBDD de gran capacidad y una infraestructura segura que los hospede.
  • Servicios, son los servicios que ofrecen las plataformas como mostrar los datos recogidos, mandar avisos cuando se detecte un evento o la interconexión con otras plataformas o simplemente. Servicios ofrecidos por la plataforma carriots: https://www.carriots.com/que-es-carriots

Sensor — MCU — Comunicación — Protocolo — Plataforma — Servicios

Uno de los retos del IoT es mandar datos de cualquier sensor a través de cualquier protocolo a cualquier plataforma de forma inalámbrica y usando la menor energía posible para uso de baterías.

Cadena de valor de IoT:

recoger datos — conectar — almacenar — analizar — mostrar — actuar — predecir

IoT Manifesto

Arduino IoT Manifesto: https://create.arduino.cc/iot/manifesto/

“Arduino cree que construyendo nuevos productos conectados con SW, HW y protocolos de comunicación open source, podemos hacer un entorno más innovador para los makers, emprendedores y grandes corporaciones. Dando a los usuarios de posibilidad de compartir su trabajo abiertamente, compartimos retos, resolvemos problemas y construimos mejores productos conectados.

Estamos seguros que con una aproximación abierta y compartida de SW, HW y protocolos es la mejor solución”

Esta aproximación puede extender al mundo empresarial el concepto de DIY, permitiendo hacer pruebas de conceptos y pequeños proyectos por uno mismo y en caso que sea viable lanzarse a proyectos profesionales con el apoyo de expertos.

De Arduino al Procesado de Datos Masivo

Arduino es una herramienta perfecta para la recogida de todo tipo de datos en cualquier lugar y condición, comprobación, pre-procesado y normalización de los datos y finalmente transporte de esos datos de una forma rápida y segura al lugar donde se van a almacenar para posteriormente ser procesados y analizados.

Arduino es capaz de recoger datos, tratarlos en tiempo real (limitado por su capacidad de procesamiento) y comunicarse con el sistema de almacenamiento de datos.

Al ser Arduino un elemento barato y con muchas capacidades de comunicación es posible usarlo en la captura de datos distribuidos y desplegar tantos sensores como sea necesario creando una red de sensores fácilmente escalable.

Y obtener datos distribuidos para visualizarlos y analizarlos:

La adquisición de datos (DAQ) es el proceso de medir un fenómeno eléctrico o físico como voltaje, corriente, temperatura, presión o sonido. Un sistema DAQ consiste de sensores, hardware de medidas DAQ y un PC donde almacenar y tratar los datos. Comparados con los sistemas de medidas tradicionales, los sistemas DAQ basados en PC aprovechan la potencia del procesamiento, la productividad, la visualización y las habilidades de conectividad de los PCs estándares en la industria proporcionando una solución de medidas más potente, flexible y rentable.

Un sistema DAQ básico sería un Arduino que recoge los datos, los procesa y los guarda en una tarjeta SD o un PC conectado, pero con Arduino podemos ir más allá y crear una red de sistemas DAQ interconectados que procesan los datos que capturan y los mandan a una base de datos o repositorio único o distribuido.

Elementos que intervienen

A la hora de recoger datos para su procesamiento debemos responder estas preguntas:

  • ¿Qué quieres medir? – Sensores
  • ¿Cómo lo quieres conectar? – Comunicaciones /Protocolos
  • ¿Donde vas a almacenar los datos? – Plataformas
  • ¿Qué quieres hacer con los datos? – Herramientas de procesado

Todo esto está relacionado con el denominado Internet de las Cosas (IoT).

Elementos que intervienen:

  • Protocolos de comunicación, lenguaje para comunicar el HW y el SW. HTTP, fiware, MQTT, API REST,…

  • Plataformas Software, almacenar y tratar los datos recogidos por nuestros sensores. Pueden ser plataformas de terceros o plataformas propias desarrolladas por nosotros o simplemente guardar en BBDD. Por ejemplo: Carriots, Thingspeak, Temboo, Thinger, etc…
    Además todas estas plataformas SW que están en la nube, deben estar soportadas por un HW de servidores, unas BBDD de gran capacidad y una infraestructura segura que los hospede.
  • Servicios, son los servicios que ofrecen las plataformas como la visualización de los datos recogidos, análisis de los datos, envío de avisos cuando se detecte un evento, interconexión con otras plataformas, etc…
    Servicios ofrecidos por la plataforma carriots: https://www.carriots.com/que-es-carriots

A modo de resumen, estos son los elementos:

Sensor — MCU — Comunicación — Protocolo — Plataforma — Servicios

Uno de los retos del IoT es mandar datos de cualquier sensor a través de cualquier protocolo a cualquier plataforma de forma inalámbrica y usando la menor energía posible (baterías) y todo esto mediante una comunicación segura (cifrada).

Plataformas

Podemos usar de forma gratuita diversas plataformas para conectar nuestro Arduino con ellas y usarlas para mostrar datos, analizar los datos, responder a ciertos eventos, realizar interacciones con Arduino, etc…

Algunas ejemplos de plataformas son:

Comunicaciones Arduino

Una de las principales ventajas de Arduino es que podemos dotarlo de comunicación de una forma sencilla añadiendo un shield o una breakout board y dispondremos de casi cualquier tipo de comunicación tanto de acceso a Internet como de para comunicar arduinos entre sí o con otros dispositivos de una red privada.

Ethernet: la forma más clásica de comunicar arduino mediante el shield de ethernet. https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoEthernetShield

Wifi: Hay múltiples formas de conectar Arduino a internet mediante wifi:

Bluetooth: https://aprendiendoarduino.wordpress.com/2016/11/13/bluetooth-en-arduino/

Zigbee/XBee: IEEE 802.15.4 es un estándar que define el nivel físico y el control de acceso al medio de redes inalámbricas de área personal con tasas bajas de transmisión de datos (low-rate wireless personal area network, LR-WPAN). El grupo de trabajo IEEE 802.15 es el responsable de su desarrollo. También es la base sobre la que se define la especificación de ZigBee, cuyo propósito es ofrecer una solución completa para este tipo de redes construyendo los niveles superiores de la pila de protocolos que el estándar no cubre.

XBee es el nombre comercial del Digi de una familia de módulos de comunicación por radio y están basados en el estándar zigbee, pero digi tiene muchos Xbee y algunos son zigbee estándar y otros son propietarios o modificaciones del estándar. Existen muchos módulos Xbee basados en el estándar IEEE 802.15.4

Más información: https://aprendiendoarduino.wordpress.com/2016/11/16/zigbeexbee/

LoRaWAN: es una especificación de una red LPWAN (Low Power Wide Area Network) propuesta por la LoRa Alliance y pensada para comunicar dispositivos de bajo coste y bajo consumo alimentados por baterías. La especificación cubre las capas PHY y MAC de la red, dejando a las aplicaciones el resto de capas. En la banda ISM de 868MHz (915 MHz en otras regiones), con un bitrate de hasta decenas de kbps (de 0.3 kbps hasta  50 kbps).

nRF24: Este dispositivo NRF2401, integra en un único chip, toda la electrónica y bloques funcionales precisos, para establecer comunicaciones RF (Radio Frecuencia) entre dos o más puntos a diferentes velocidades, (Hasta 2  Mb/seg) con corrección de errores y protocolo de reenvío cuando es necesario, sin intervención del control externo, lo que nos permite aislarnos de todo el trabajo sucio y complicado relacionado con la transmisión física.

Información de producto: http://www.nordicsemi.com/eng/Products/2.4GHz-RF/nRF24L01

Sigfox: es una solución de conectividad celular mundial para el Internet of Things pensada para comunicaciones de baja velocidad que permite reducir los precios y el consumo de energía para los dispositivos conectados. La solución de conectividad SIGFOX se basa en una infraestructura de antenas y de estaciones de base totalmente independientes de las redes existentes.

En la red SIGFOX se transmiten mensajes de 12 bytes, pudiendo enviar 140 mensajes al día.

Sigfox trabaja con fabricantes como Texas Instruments, Atmel, Silicon Labs y otros para poder ofrecer distintos tipos de SOC, transceptores y componentes de conexión a su red. En el caso de smartphones y tablets, actualmente no son compatibles con esta red, pero, al no tener licencia de uso, su inclusión sería realmente económica y sencilla.