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Conectividad IoT

IoT es conectar dispositivos a la Internet, para ello necesito una infraestructura de conexión y para ello disponemos de muchos tipos de conectividades que hay que conocer y saber cual es la más idónea en cada caso.

Una vez seleccionada la conectividad más adecuada para nuestro proyecto/aplicación, debemos buscar el HW IoT que disponga de esa conectividad o un HW adicional para conectar a nuestro dispositivo que conectemos a Internet.

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.

La tecnología de IoT se despliega de muchas maneras, por lo que no existe una única solución de red adecuada. Depende de la situación y de dónde se encuentren los dispositivos. Algunos de los factores que afectan la selección del tipo de red son:

  • el alcance de la red
  • el ancho de banda de la red
  • el uso de energía
  • la interoperabilidad
  • la conectividad intermitente
  • la seguridad

Una red cableada utiliza un cable Ethernet para conectarse a la red. El cable Ethernet se conecta a su vez a un DSL o a la pasarela de red. Las redes alámbricas son tecnología madura y es fácil conectarse si ya tiene líneas telefónicas, líneas de energía y líneas de cable coaxial.

Incluso en el caso de las redes inalámbricas, estas redes suelen estar conectadas a una red alámbrica en algún momento; por lo tanto, la red más utilizada es una híbrida de conectividad de red alámbrica e inalámbrica.

Articulo interesante redes: https://www.artik.io/blog/2015/iot-101-networks

Articulo interesante conectividad: https://www.artik.io/blog/2015/iot-101-connectivity

White paper sobre redes inlámbrica sub 1GHz: http://www.ti.com/lit/wp/swry017/swry017.pdf 

Guía de conectividad de IoT:  https://www.ibm.com/developerworks/library/iot-lp101-connectivity-network-protocols/index.html 

Interesante artículo sobre redes para IoT: https://www.redeweb.com/articulos/software/11-redes-inalambricas-fundamentales-para-internet-de-las-cosas/ 

IOT primeras redes IoT en Holanda y Corea: http://blogthinkbig.com/nace-la-primera-y-la-segunda-red-para-internet-de-las-cosas/

Muy buena explicación de comunicaciones: https://learn.adafruit.com/alltheiot-transports/introduction 

Redes Alambricas IoT (Wired)

Cuando en IoT se habla de confianza y seguridad a veces la mejor opción es la red cableada, siempre que ello sea posible.

Wired y Wireless tienen ventajas y desventajas cuando se trata de conectividad de red. La comprensión de estas ventajas e inconvenientes ayudará a tomar una decisión informada a la hora de aplicar una solución de IoT.

Implementaciones wired vs wireless: https://blog.senseware.co/2017/10/10/iot-implementations-wireless-vs-wired 

Ventajas de los dispositivos conectados con redes alambricas (wired):

  • Fiabilidad: Las conexiones Ethernet existen desde hace mucho más tiempo que la tecnología Wi-Fi, lo que la hace mucho más fiable. Son menos propensos a las conexiones caídas y son más confiables sin necesidad de depuración constante.
  • Velocidad: Las conexiones por cable se ven menos afectadas por factores locales como paredes, suelos, armarios, longitud de la habitación, interferencias de otros dispositivos electrónicos, etc. Esto permite que la conectividad por cable sea mucho más rápida que la inalámbrica. Las transmisiones de datos por cable no son sensibles a las distancias y la colocación de los dispositivos no tiene ningún efecto adverso en el rendimiento de la conexión.
  • Seguridad: Las conexiones por cable suelen estar alojadas detrás del cortafuegos de su red de área local (LAN) y, por lo tanto, permiten un control completo del sistema de comunicaciones. Esto significa que no hay datos de transmisión que puedan ser pirateados.

Desventajas:

  • Coste: Las conexiones por cable son más caras que las inalámbricas debido al costo del alambre, los costos de mano de obra para la instalación. En el caso de un cable dañado, los costes de reparación o sustitución son también muy elevados en comparación con las redes inalámbricas de mantenimiento relativamente bajo.
  • Movilidad: Las redes cableadas tendrían que estar enterradas en paredes, suelos y techos para llegar a los sensores que necesitan conectarse a ellas. Dado que los sensores son pequeños y pueden colocarse en cualquier lugar de una instalación, a veces sería físicamente imposible alcanzarlos.
  • Escalabilidad: La construcción y extensión de redes cableadas requiere planificación y presupuesto para su construcción. Los sistemas alámbricos necesitan que el hardware sea adquirido, instalado y configurado antes de que pueda ser completamente operativo. La escalabilidad sería un problema no sólo para que las redes funcionen rápidamente, sino también para la planificación y los costes.

Más información: https://medium.com/@hardy96tech/communication-wired-protocols-in-iot-ae263675f542

Ethernet

Un sistema para conectar una serie de sistemas informáticos para formar una red de área local, con protocolos para controlar el paso de información y evitar la transmisión simultánea por dos o más sistemas. Cada tarjeta de interfaz de red Ethernet (NIC) recibe un identificador único llamado dirección MAC. La dirección MAC se compone de un número de 48 bits. Dentro del número, los primeros 24 bits identifican al fabricante y se conocen como ID de fabricante o Identificador Único Organizativo (OUI), que es asignado por la autoridad de registro.

Ejemplo de red IoT de confianza ethernet: https://www.motioncontroltips.com/delivering-reliable-iot/

RS232

RS-232 es la abreviatura de Recommended Standard 232. Es básicamente un estándar de interfaz que se utiliza comúnmente en los puertos serie de los ordenadores y que define las características eléctricas y la temporización de las señales.

RS485/Modbus

RS-485 incrementa el número de dispositivos y define las características eléctricas necesarias para asegurar una señal adecuada. Puede crear redes de dispositivos conectados a un solo puerto serie RS-485. La inmunidad al ruido y la capacidad de caída múltiple hacen que el RS-485 sea la conexión serie de elección en aplicaciones industriales.

Fibra Óptica

El Internet de las cosas podría llevar la capacidad de la red hasta el punto en el que sólo la banda ancha entregada por la fibra óptica sería capaz de soportar.

Para cumplir con el verdadero potencial del Internet de las Cosas, en términos de accesibilidad, funcionalidad y capacidad de ampliación, los diferentes proveedores de servicio deberán garantizar el óptimo desempeño de las soluciones de acceso y anchos de banda que ofrecen.

Muchos dispositivos conectados pueden tener conexión fibra óptica no solo por las ventajas de ancho de banda sino por su fiabilidad e inmunidad a los ruidos

CAN BUS

Un protocolo serial multi-master basado en mensajes para la transmisión y recepción de datos del vehículo dentro de una red de área de controladores (Controller Area Network, CAN).

Diseñado inicialmente para aplicaciones de automoción en 1983, el bus CAN puede adaptarse a la industria aeroespacial, vehículos comerciales, automatización industrial y equipos médicos. A veces escrito como “CANbus”, el bus CAN conecta múltiples unidades de control electrónico (ECUs) también conocidas como nodos.

Guía de comunicación CAN BUS: http://www.libelium.com/downloads/documentation/canbus_communication_guide.pdf

Más información: https://humanizationoftechnology.com/redes-cableadas-can-bus-para-internet-de-las-cosas-desde-una-plataforma-abierta/revista/iot/01/2019/

Puerto Serie 

UART es el nombre del hardware utilizado para una interfaz serie RS-232. UART significa Universal Asynchronous Receiver Transmitter. Los primeros PCs tenían un chip UART, pero esta funcionalidad se encuentra ahora dentro de un chip más grande que también contiene otras características de E/S. Un UART puede ser utilizado cuando no se requiere alta velocidad o se requiere un enlace de comunicación económico entre dos dispositivos. La comunicación UART es muy barata: asíncrona porque no se transmite ninguna señal de reloj.

Redes Inalámbricas IoT

Como la mayoría de las redes cableadas tienden a ser voluminosas y costosas, las implementaciones de IoT inalámbricas son la solución común. La configuración de una red inalámbrica es un proceso sencillo que implica configurarlo para que funcione en un abrir y cerrar de ojos.

La IoT utiliza cuatro modelos de comunicación comunes:

  • Dispositivo a dispositivo
  • Dispositivo a nube
  • Dispositivo a puerta de enlace (gateway)
  • Compartir datos de back-end.

El tipo de tecnología inalámbrica implementada dependerá del modelo de comunicación.

Device to Device utiliza Bluetooth, Z-Wave o Zigbee ya que implica la transmisión de pequeñas cantidades de datos.

Device to Cloud utiliza tecnología WiFi o celular. Las conexiones en la nube permiten a los usuarios obtener acceso al dispositivo de forma remota.

Device to Gateway utiliza la red de su dispositivo inteligente como un teléfono inteligente o un reloj inteligente. Ejemplos de esto son los rastreadores de fitness que cargan datos en su aplicación móvil.

Backend Data Sharing extiende el dispositivo único a las comunicaciones en nube a terceros autorizados. Esto puede utilizar cualquier conectividad de red como WiFi, celular o incluso por satélite. Todo se reduce al caso de uso de su negocio

Ventajas de las comunicaciones Wireless:

  • Escalable: Las redes inalámbricas no requieren ninguna instalación de hardware. Típicamente involucran configuraciones y pueden estar listos y funcionando en poco tiempo. También se pueden ampliar muy fácilmente sin tener en cuenta las obstrucciones de la instalación. Las tecnologías inalámbricas más recientes utilizan plug and play, incluida la detección automática que ayuda a reducir los tiempos de instalación.
  • Bajo coste: Debido al avance en la tecnología inalámbrica, así como al número de fabricantes, el coste de la tecnología inalámbrica ha ido disminuyendo en los últimos años. Además, la mayoría de los sensores inalámbricos vienen con nodos que se pueden ampliar añadiendo nodos adicionales según los requisitos.

Desventajas de las comunicaciones Wireless:

  • Interferencia: Los dispositivos electrónicos en las proximidades de las redes inalámbricas pueden interferir fácilmente y pueden causar pérdidas en la conexión o reducir la calidad de la misma. Esto puede conducir a la pérdida de productividad hasta que el problema se identifique y se solucione.
  • Velocidad más lenta: Cuando se trata de datos en tiempo real, es imperativo que los datos se transmitan y estén disponibles lo más rápido posible. Las redes inalámbricas son susceptibles a una mayor latencia e interferencia de señal que afecta a la velocidad y consistencia de los datos.

ZigBee

ZigBee es una tecnología inalámbrica más centrada en aplicaciones domóticas e industriales. Los perfiles ZigBee PRO y ZigBee Remote Control (RF4CE) se basan en el protocolo IEEE 802.15.4, una tecnología de red inalámbrica que opera a 2,4GHz en aplicaciones que requieren comunicaciones con baja tasa de envío de datos dentro de áreas delimitadas con un alcance de 100 metros, como viviendas o edificios.

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.

ZigBee/RF4CE tiene algunas ventajas significativas como el bajo consumo en sistemas complejos, seguridad superior, robustez, alta escalabilidad y capacidad para soportar un gran número de nodos. Así, es una tecnología bien posicionada para marcar el camino del control wireless y las redes de sensores en aplicaciones IoT y M2M.

  • Estándar: ZigBee 3.0 basado en IEEE 802.15.4
  • Frecuencia: 2.4GHz
  • Alcance: 10-100m
  • Velocidad de transferencia: 250kbps

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/

WiFi

Normalmente la conectividad WiFi es la opción obvia elegida por los desarrolladores dada la omnipresencia de WiFi en entornos domésticos y comerciales: existe en la actualidad una extensa infraestructura ya instalada que transfiere datos con rapidez y permite manejar grandes cantidades de datos. Actualmente, el standard WiFi más habitual utilizado en los hogares y en muchas empresas es el 802.11n, ofreciendo un rendimiento significativo en un rango de cientos de megabits por segundo, muy adecuado para la transferencia de archivos, pero que consume demasiada potencia para desarrollar aplicaciones IoT.

  • Estándar: Basado en 802.11n
  • Frecuencia: 2,4GHz y 5GHz
  • Alcance: Aproximadamente 50m
  • Velocidad de transferencia: hasta 600 Mbps, pero lo habitual es 150-200Mbps, en función del canal de frecuencia utilizado y del número de antenas (el standard 802.11-ac ofrece desde 500Mbps hasta 1Gbps)

Bluetooth

Bluetooth es una de las tecnologías de transmisión de datos de corto alcance más establecidas, muy importante en el ámbito de la electrónica de consumo. Las expectativas apuntan a que será clave para desarrollar dispositivos wearable, ya que permitirá el establecimiento de conexiones IoT, probablemente a través de un smartphone.

El nuevo Bluetooth de baja energía, también conocido como Bluetooth LE o Bluetooth Smart, es otro protocolo importante para desarrollar aplicaciones IoT. Se caracteriza por ofrecer un alcance similar al de la tecnología Bluetooth normal pero con un consumo de energía significativamente reducido.

Es importante destacar que la versión 4.2, gracias a la incorporación del Internet Protocol Support Profile, permite conectarse directamente a internet mediante IPv6/6LoWPAN. Esto facilita el utilizar la infraestructura IP existente para gestionar dispositivos Bluetooth Smart basado en “edge computing”.

  • Estándar: Bluetooth 4.2
  • Frecuencia: 2,4GHz (ISM)
  • Alcance: 50-150m (Smart/LE)
  • Velocidad de transferencia: 1Mbps (Smart/LE)

Thread

En la actualidad, el protocolo de red más innovador basado en IPv6 es Thread. Diseñado para domótica, está basado en 6LowPAN, y del mismo modo que aquel, no es un protocolo de aplicaciones IoT como Bluetooth o ZigBee. Se diseñó como un complemento WiFi, puesto que aunque la tecnología Wi-Fi funciona muy bien en dispositivos de consumo, tiene limitaciones al utilizar en configuraciones de domótica.

Lanzado a mediados del 2014 por Thread Group, este protocolo sin canon de uso se basa en varios protocolos como IEEE 802.15.4, IPv6 y 6LoWPAN.

Es una solución resistente basada en IP para aplicaciones IoT.

Diseñado para trabajar sobre chips IEEE 802.15.4 ya existentes de fabricantes como Freescale y Silicon Labs, Thread es compatible con redes de topología de malla al utilizar radio transceptores IEEE802.15.4, siendo capaz de manejar hasta 250 nodos con altos niveles de autenticación y cifrado.

Una actualización de software relativamente sencilla permite a los usuarios utilizar thread en dispositivos ya compatibles con IEEE 802.15.4.

  • Estándar: Thread, basado en IEEE802.15.4 y 6LowPAN
  • Frecuencia: 2,4GHz (ISM)
  • Alcance: N/A
  • Velocidad de transferencia: N/A

Red de telefonía móvil

Cualquier aplicación IoT que necesite funcionar en grandes áreas puede beneficiarse de las ventajas de la comunicación móvil GSM/3G/4G.

La red de telefonía móvil es capaz de enviar grandes cantidades de datos, especialmente a través de 4G, aunque el consumo de energía y el coste económico de la conexión podrían ser demasiado altos para muchas aplicaciones.

Sin embargo, puede ser ideal para proyectos que integren sensores y que no requieran un ancho de banda muy grande para enviar datos por Internet.

  • Estándares: GSM/GPRS/EDGE (2G), UMTS/HSPA (3G), LTE (4G)
  • Frecuencias: 900 / 1800 / 1900 / 2100
  • Alcance: hasta 35km para GSM; hasta 200km para HSPA
  • Velocidad de transferencia (descarga habitual): 35-170kps (GPRS), 120-384kbps (EDGE), 384Kbps-2Mbps (UMTS), 600kbps-10Mbps (HSPA), 3-10Mbps (LTE)

Hologram

Conectividad celular para IoT

Web: https://hologram.io/

HW compatible de Hologram: https://hologram.io/hologram-compatible-hardware/

Permite una sim gratuita para probar con 1MB mensual 

Pricing: https://hologram.io/pricing/

Neul

El concepto de este sistema es similar al de Sigfox y funciona en la banda sub-1GHz. Neul aprovecha pequeños fragmentos de la “banda blanca” de las estaciones de TV para ofrecer alta escabilidad, amplia cobertura y bajo costes.

Este sistema se basa en el chip Iceni, que se comunica utilizando los “banda blanca” de la radio para acceder al espectro UHF de alta calidad. Ya está disponible debido a la transición analógica a la televisión digital.

La tecnología de comunicaciones que utiliza se llama Weightless, que es una nueva tecnología de red inalámbrica ampliada diseñada para aplicaciones IoT que compite contra las soluciones GPRS, 3G, CDMA y LTE WAN.

La velocidad de transferencia de datos puede ir de unos bits por segundo hasta 100 Mbps en el mismo enlace. Desde el punto de vista del consumo, los dispositivos consumen tan solo de 20 a 30 mA, es decir, de 10 a 15 años de autonomía con 2 pilas AA.

Para poder emplear esta tecnología hay que tener en cuenta la decisión que se haya tomado acerca del uso de las frecuencias de la banda blanda.

  • Estándar: Neul
  • Frecuencia: 900MHz (ISM), 458MHz (UK), 470-790MHz (espacios en blanco)
  • Alcance: 10km
  • Velocidad de transferencia: Desde unos pocos bps hasta 100kbps

6LoWPAN

6LoWPAN (IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks) es un estándar que posibilita el uso de IPv6 sobre redes basadas en el estándar IEEE 802.15.4 (LoRa, zigbee, etc…). Hace posible que dispositivos como los nodos de una red inalámbrica puedan comunicarse directamente con otros dispositivos IP.

6LowPAN es una tecnología inalámbrica basada en IP. En vez de tratarse de una tecnología de protocolos de aplicaciones IoT, como Bluetooth o ZigBee, 6LowPAN es un protocolo de red que permite mecanismos de encapsulado y compresión de cabeceras. Esta tecnología ofrece libertad de banda de frecuencia y capa física, por lo que se puede utilizar a través de múltiples plataformas de comunicaciones, como Ethernet, Wi-Fi, 802.15.4 y sub-1GHz ISM.

Capas de red:

6LoWPAN: 

6LowPAN (IPv6 Low-power wireless Personal Area Network) es una tecnología inalámbrica basada en IP muy importante. En vez de tratarse de una tecnología de protocolos de aplicaciones IoT, como Bluetooth o ZigBee, 6LowPAN es un protocolo de red que permite mecanismos de encapsulado y compresión de cabeceras. Esta tecnología ofrece libertad de banda de frecuencia y capa física, por lo que se puede utilizar a través de múltiples plataformas de comunicaciones, como Ethernet, Wi-Fi, 802.15.4 y sub-1GHz ISM.

Una característica clave es la introducción de la pila IPv6 (protocolo de internet versión 6), una innovación clave en el avance de IoT en los últimos años, ya que con IPv6 se ofrecen aproximadamente 5 x 10E28 direcciones IP a nivel global, permitiendo que cualquier objeto o dispositivo embebido tenga su propia dirección IP única para conectarse a Internet.

Ha sido diseñada especialmente para el hogar y la automatización de edificios proporcionando un mecanismo de transporte básico para producir sistemas de control complejos e interconexión de dispositivos de un modo económico a través de una red inalámbrica de bajo consumo.

Diseñada para enviar paquetes IPv6 sobre redes IEEE 802.15.4, para luego implementar protocolos superiores como TCP, UDP, HTTP, COAP, MQTT y websockets, 6LowPAN es una red de topología en malla robusta, escalable y auto-regenerativa. Los routers pueden encaminar datos enviados a otros dispositivos, mientras que los hosts permanecen inactivos mucho tiempo.

  • Estándar: RFC6282
  • Frecuencia: adaptable a múltiples capas físicas como Bluetooth Smart (2.4GHz), ZigBee o comunicación RF de bajo consumo (sub-1GHz)
  • Alcance: N/A
  • Velocidad de transferencia: N/A

Hardware 6LoWPAN: https://zolertia.io/ 

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).

Enlaces:

Esta tecnología se parece en algunos aspectos a Sigfox y a Neul. LoRaWAN está diseñada para implementar redes de área amplia (WAN) con características específicas para soportar comunicaciones móviles, bidireccionales, económicas y seguras para aplicaciones de IoT, M2M, ciudades inteligentes y aplicaciones industriales.

Optimizada para bajo consumo de energía y para ofrecer amplias redes con millones y millones de dispositivos, sus velocidades de transferencia de datos van desde 0,3 kbps hasta 50 kbps.

  • Estándar: LoRaWAN
  • Frecuencia: Varias
  • Alcance: 2-5km (entorno urbano), 15km (entorno rural)
  • Velocidad de transferencia: 0,3-50 kbps.

Z-Wave

Z-Wave es una tecnología RF de bajo consumo diseñada inicialmente para productos de domótica como controladores de iluminación y sensores. Optimizado para la comunicación fiable de baja latencia de pequeños paquetes de datos, alcanza velocidades de datos de hasta 100kbit/s, opera en la banda de sub-1 GHz y es robusta frente a interferencias de Wi-Fi y otras tecnologías inalámbricas en el rango 2,4 GHz como Bluetooth o ZigBee. Es totalmente compatible con redes de topología de malla, no necesita un nodo coordinador y es muy escalable, permitiendo controlar hasta 232 dispositivos.

Z-Wave utiliza un protocolo más simple que otras tecnologías lo que permite una mayor rapidez en el desarrollo, pero el único fabricante de chips compatibles es la empresa Sigma Design, en comparación con la multitud de empresas que ofrecen productos de otras tecnologías inalámbricas como ZigBee o Bluetooth.

  • Estándar: Z-Wave Alliance ZAD12837 / ITU-T G.9959
  • Frecuencia: 900MHz (Banda ISM)
  • Alcance: 30m
  • Velocidad de transferencia: 9,6/40/100kbit/s

NFC

NFC (Near Field Communication) es una tecnología que permite dos vías simultáneas de interacción segura entre dispositivos electrónicos, siendo especialmente adecuada para smartphones, permitiendo a los consumidores realizar transacciones de pago, acceder al contenido digital y conectar dispositivos electrónicos, todo ellos sin contacto. Esencialmente, amplía la capacidad de la tecnología contacless de las tarjetas inteligentes permitiendo conexiones punto a punto y modos de funcionamiento activos y pasivos.

  • Estándar: ISO/IEC 18000-3
  • Frecuencia: 13.56MHz (ISM)
  • Alcance: 10cm
  • Velocidad de transf.: 100–420kbps

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 

Wize

La tecnología Wize se basa en la frecuencia de 169 MHz y se ha utilizado durante más de 10 años para la medición inteligente por parte de las compañías de agua y gas. La tecnología ha mostrado un rendimiento excepcional, especialmente en lo que se refiere a la penetración de la radio en interiores. Esto lo hace perfecto para aplicaciones de IoT en entornos urbanos donde las paredes suelen mitigar la propagación de otras comunicaciones de radio.

Características.

  • Basado en una norma robusta y fiable EN-13757 – Wireless M-Bus
  • Capaz de alcanzar a larga distancia, hasta 20 KM
  • Consumo de energía extremadamente bajo: hasta 20 años de duración de la batería con 1 mensaje/día
  • Bidireccional con programación por aire (OTA)
  • Penetración profunda de la radio en interiores
  • Solución flexible: Sin bloqueo de chip, sin bloqueo de telecomunicaciones, posibilidad de utilizar la red existente o crear nuevas redes.

Protocolo: https://www.allwize.io/wize-protocol

Wize Alliance: https://www.wize-alliance.com/

Más información: https://www.allwize.io/post/the-wize-protocol-the-new-trendy-iot-standard

Dispositivo compatible con Arduino: https://www.kickstarter.com/projects/1230929587/extreme-lpwa-arduino-board-for-iot-using-the-wize?lang=es

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.

Es una alternativa de amplio alcance es Sigfox, que en términos de alcance está entre Wi-Fi y la comunicación móvil. Utiliza bandas ISM, que se pueden utilizar sin necesidad de adquirir licencias.

Sigfox responde a las necesidades de muchas aplicaciones M2M que funcionan con una batería pequeña y solo requieren niveles menores de transferencia de datos, allí donde WiFi se queda demasiado corto y la comunicación móvil es muy cara y consume demasiada energía.

Sigfox utiliza una tecnología llamada Ultra Narrow Band (UNB) diseñada para funcionar con bajas velocidades de transferencias de 10 a 1.000 bits por segundo.

Solo consume 50 microvatios (la comunicación móvil consume 5.000 microvatios) además de poder mantenerse en stand-by 20 años con una batería 2.5Ah (0,2 años para comunicaciones móviles).

Esta tecnología es robusta, energéticamente eficiente y funciona como una red escalable que puede comunicarse con millones de dispositivos móviles a lo largo de muchos kilómetros cuadrados. Así pues, es adecuada para aplicaciones M2M como: contadores inteligentes, monitores médicos, dispositivos de seguridad, alumbrado público y sensores ambientales.

El sistema Sigfox utiliza los transceptores inalámbricos que funcionan en la banda sub-1GHz ofreciendo un rendimiento excepcional, mayor alcance y un consumo mínimo.

  • Estándar: Sigfox
  • Frecuencia: 900MHz
  • Alcance: 30-50km (ambientes rurales), 3-10km (ambientes urbanos)
  • Velocidad de transferencia: 10-1000bps

Más información: https://www.rs-online.com/designspark/eleven-internet-of-things-iot-protocols-you-need-to-know-about

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Gateways IoT

Un Gateway IoT es un dispositivo físico o un programa de software que sirve como punto de conexión entre la nube y los controladores, sensores y dispositivos inteligentes. Todos los datos que se mueven a la nube, o viceversa, pasan por el gateway, que puede ser un dispositivo de hardware dedicado o un programa de software. Un gateway IoT también puede denominarse pasarela inteligente o nivel de control.

Algunos sensores generan decenas de miles de puntos de datos por segundo. Una pasarela proporciona un lugar para preprocesar esos datos localmente en el borde antes de enviarlos a la nube. Cuando los datos se agregan, se resumen y se analizan tácticamente en el borde, se minimiza el volumen de datos que deben ser enviados a la nube, lo que puede tener un gran impacto en los tiempos de respuesta y en los costes de transmisión de la red.

Otra ventaja de una pasarela de IoT es que puede proporcionar seguridad adicional para la red de IoT y los datos que transporta. Dado que el gateway gestiona información que se mueve en ambas direcciones, puede proteger los datos que se mueven hacia la nube de fugas y dispositivos de IoT de ser comprometidos por ataques externos maliciosos con características tales como detección de manipulaciones, cifrado, generadores de números aleatorios de hardware y motores de cifrado.

La pasarela IoT desempeña un papel importante en la gestión de los dispositivos. Cada dispositivo (sensor/actuador) tiene un caso de uso diferente y emite mensajes a través de diferentes canales como Wifi, BLE, Zigbee, Ethernet, RF, LPWAN, LTE, etc. y el gateway realiza varias funciones como conectividad de dispositivos, traducción de protocolos, agregación, filtrado, correlación, seguridad, actualizaciones, administración y más. Se sitúa entre los dispositivos y la plataforma de nube.

Además un Gateway puede hacer conexión VPN segura entre localizaciones diferentes, permitiendo unir de forma segura diferentes puntos a través de Internet.

Routers y Gateways industriales inteligentes https://ewon.biz/es  

Hace no tantos años la conexión remota era por módem o por GSM con conexiones pto a pto. En la actualidad usamos internet para el telecontrol, pero es un problema el tema de la seguridad. Ya existen dispositivos como el router industrial eWON Flexy https://ewon.biz/es/productos/flexy modular que es servidor OPC UA y cliente openvpn, es muy potente para conectar y dar funcionalidades adicionales a unos autómatas.

eWON monta la VPN y al ser servidor modbus TCP y OPC UA, es posible acceder remotamente y de forma segura a los datos del autómata e integrarlo con datos de otras localizaciones.

Ejemplo Gateway LoRa:

Y el código: https://github.com/jecrespo/aprendiendoarduino-lora/blob/master/Demo_LoRa/rf95_server/rf95_server.ino

Programación de los Gateways IoT:

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/

Conectividad Arduino

Arduino puede comunicarse con cualquier medio usando el HW adecuado. Comunicaciones para Arduino:

Conectividad IoT

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.

Articulo interesante redes: https://www.artik.io/blog/2015/iot-101-networks

Articulo interesante conectividad: https://www.artik.io/blog/2015/iot-101-connectivity

Leer este white paper: http://www.ti.com/lit/wp/swry017/swry017.pdf

Guía de conectividad de IoT:  https://www.ibm.com/developerworks/library/iot-lp101-connectivity-network-protocols/index.html

Interesante artículo sobre redes para IoT: https://www.redeweb.com/articulos/software/11-redes-inalambricas-fundamentales-para-internet-de-las-cosas/

IOT primeras redes IoT en Holanda y Corea: http://blogthinkbig.com/nace-la-primera-y-la-segunda-red-para-internet-de-las-cosas/

Muy buena explicación de comunicaciones: https://learn.adafruit.com/alltheiot-transports/introduction

Redes Inalámbricas IoT

ZigBee

ZigBee es una tecnología inalámbrica más centrada en aplicaciones domóticas e industriales. Los perfiles ZigBee PRO y ZigBee Remote Control (RF4CE) se basan en el protocolo IEEE 802.15.4, una tecnología de red inalámbrica que opera a 2,4GHz en aplicaciones que requieren comunicaciones con baja tasa de envío de datos dentro de áreas delimitadas con un alcance de 100 metros, como viviendas o edificios.

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.

ZigBee/RF4CE tiene algunas ventajas significativas como el bajo consumo en sistemas complejos, seguridad superior, robustez, alta escalabilidad y capacidad para soportar un gran número de nodos. Así, es una tecnología bien posicionada para marcar el camino del control wireless y las redes de sensores en aplicaciones IoT y M2M.

  • Estándar: ZigBee 3.0 basado en IEEE 802.15.4
  • Frecuencia: 2.4GHz
  • Alcance: 10-100m
  • Velocidad de transferencia: 250kbps

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/

WiFi

Normalmente la conectividad WiFi es la opción obvia elegida por los desarrolladores dada la omnipresencia de WiFi en entornos domésticos y comerciales: existe en la actualidad una extensa infraestructura ya instalada que transfiere datos con rapidez y permite manejar grandes cantidades de datos. Actualmente, el standard WiFi más habitual utilizado en los hogares y en muchas empresas es el 802.11n, ofreciendo un rendimiento significativo en un rango de cientos de megabits por segundo, muy adecuado para la transferencia de archivos, pero que consume demasiada potencia para desarrollar aplicaciones IoT.

  • Estándar: Basado en 802.11n
  • Frecuencia: 2,4GHz y 5GHz
  • Alcance: Aproximadamente 50m
  • Velocidad de transferencia: hasta 600 Mbps, pero lo habitual es 150-200Mbps, en función del canal de frecuencia utilizado y del número de antenas (el standard 802.11-ac ofrece desde 500Mbps hasta 1Gbps)

Bluetooth

Bluetooth es una de las tecnologías de transmisión de datos de corto alcance más establecidas, muy importante en el ámbito de la electrónica de consumo. Las expectativas apuntan a que será clave para desarrollar dispositivos wearable, ya que permitirá el establecimiento de conexiones IoT, probablemente a través de un smartphone.

El nuevo Bluetooth de baja energía, también conocido como Bluetooth LE o Bluetooth Smart, es otro protocolo importante para desarrollar aplicaciones IoT. Se caracteriza por ofrecer un alcance similar al de la tecnología Bluetooth normal pero con un consumo de energía significativamente reducido.

Es importante destacar que la versión 4.2, gracias a la incorporación del Internet Protocol Support Profile, permite conectarse directamente a internet mediante IPv6/6LoWPAN. Esto facilita el utilizar la infraestructura IP existente para gestionar dispositivos Bluetooth Smart basado en “edge computing”.

  • Estándar: Bluetooth 4.2
  • Frecuencia: 2,4GHz (ISM)
  • Alcance: 50-150m (Smart/LE)
  • Velocidad de transferencia: 1Mbps (Smart/LE)

Thread

En la actualidad, el protocolo de red más innovador basado en IPv6 es Thread. Diseñado para domótica, está basado en 6LowPAN, y del mismo modo que aquel, no es un protocolo de aplicaciones IoT como Bluetooth o ZigBee. Se diseñó como un complemento WiFi, puesto que aunque la tecnología Wi-Fi funciona muy bien en dispositivos de consumo, tiene limitaciones al utilizar en configuraciones de domótica.

Lanzado a mediados del 2014 por Thread Group, este protocolo sin canon de uso se basa en varios protocolos como IEEE 802.15.4, IPv6 y 6LoWPAN.

Es una solución resistente basada en IP para aplicaciones IoT.

Diseñado para trabajar sobre chips IEEE 802.15.4 ya existentes de fabricantes como Freescale y Silicon Labs, Thread es compatible con redes de topología de malla al utilizar radio transceptores IEEE802.15.4, siendo capaz de manejar hasta 250 nodos con altos niveles de autenticación y cifrado.

Una actualización de software relativamente sencilla permite a los usuarios utilizar thread en dispositivos ya compatibles con IEEE 802.15.4.

  • Estándar: Thread, basado en IEEE802.15.4 y 6LowPAN
  • Frecuencia: 2,4GHz (ISM)
  • Alcance: N/A
  • Velocidad de transferencia: N/A

Red de telefonía móvil

Cualquier aplicación IoT que necesite funcionar en grandes áreas puede beneficiarse de las ventajas de la comunicación móvil GSM/3G/4G.

La red de telefonía móvil es capaz de enviar grandes cantidades de datos, especialmente a través de 4G, aunque el consumo de energía y el coste económico de la conexión podrían ser demasiado altos para muchas aplicaciones.

Sin embargo, puede ser ideal para proyectos que integren sensores y que no requieran un ancho de banda muy grande para enviar datos por Internet.

  • Estándares: GSM/GPRS/EDGE (2G), UMTS/HSPA (3G), LTE (4G)
  • Frecuencias: 900 / 1800 / 1900 / 2100
  • Alcance: hasta 35km para GSM; hasta 200km para HSPA
  • Velocidad de transferencia (descarga habitual): 35-170kps (GPRS), 120-384kbps (EDGE), 384Kbps-2Mbps (UMTS), 600kbps-10Mbps (HSPA), 3-10Mbps (LTE)

Neul

El concepto de este sistema es similar al de Sigfox y funciona en la banda sub-1GHz. Neul aprovecha pequeños fragmentos de la “banda blanca” de las estaciones de TV para ofrecer alta escabilidad, amplia cobertura y bajo costes.

Este sistema se basa en el chip Iceni, que se comunica utilizando los “banda blanca” de la radio para acceder al espectro UHF de alta calidad. Ya está disponible debido a la transición analógica a la televisión digital.

La tecnología de comunicaciones que utiliza se llama Weightless, que es una nueva tecnología de red inalámbrica ampliada diseñada para aplicaciones IoT que compite contra las soluciones GPRS, 3G, CDMA y LTE WAN.

La velocidad de transferencia de datos puede ir de unos bits por segundo hasta 100 Mbps en el mismo enlace. Desde el punto de vista del consumo, los dispositivos consumen tan solo de 20 a 30 mA, es decir, de 10 a 15 años de autonomía con 2 pilas AA.

Para poder emplear esta tecnología hay que tener en cuenta la decisión que se haya tomado acerca del uso de las frecuencias de la banda blanda.

  • Estándar: Neul
  • Frecuencia: 900MHz (ISM), 458MHz (UK), 470-790MHz (espacios en blanco)
  • Alcance: 10km
  • Velocidad de transferencia: Desde unos pocos bps hasta 100kbps

6LoWPAN

6LowPAN (IPv6 Low-power wireless Personal Area Network) es una tecnología inalámbrica basada en IP muy importante. En vez de tratarse de una tecnología de protocolos de aplicaciones IoT, como Bluetooth o ZigBee, 6LowPAN es un protocolo de red que permite mecanismos de encapsulado y compresión de cabeceras. Esta tecnología ofrece libertad de banda de frecuencia y capa física, por lo que se puede utilizar a través de múltiples plataformas de comunicaciones, como Ethernet, Wi-Fi, 802.15.4 y sub-1GHz ISM.

Una característica clave es la introducción de la pila IPv6 (protocolo de internet versión 6), una innovación clave en el avance de IoT en los últimos años, ya que con IPv6 se ofrecen aproximadamente 5 x 10E28 direcciones IP a nivel global, permitiendo que cualquier objeto o dispositivo embebido tenga su propia dirección IP única para conectarse a Internet.

Ha sido diseñada especialmente para el hogar y la automatización de edificios proporcionando un mecanismo de transporte básico para producir sistemas de control complejos e interconexión de dispositivos de un modo económico a través de una red inalámbrica de bajo consumo.

Diseñada para enviar paquetes IPv6 sobre redes IEEE 802.15.4, para luego implementar protocolos superiores como TCP, UDP, HTTP, COAP, MQTT y websockets, 6LowPAN es una red de topología en malla robusta, escalable y auto-regenerativa. Los routers pueden encaminar datos enviados a otros dispositivos, mientras que los hosts permanecen inactivos mucho tiempo.

  • Estándar: RFC6282
  • Frecuencia: adaptable a múltiples capas físicas como Bluetooth Smart (2.4GHz), ZigBee o comunicación RF de bajo consumo (sub-1GHz)
  • Alcance: N/A
  • Velocidad de transferencia: N/A

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).

Enlaces:

Esta tecnología se parece en algunos aspectos a Sigfox y a Neul. LoRaWAN está diseñada para implementar redes de área amplia (WAN) con características específicas para soportar comunicaciones móviles, bidireccionales, económicas y seguras para aplicaciones de IoT, M2M, ciudades inteligentes y aplicaciones industriales.

Optimizada para bajo consumo de energía y para ofrecer amplias redes con millones y millones de dispositivos, sus velocidades de transferencia de datos van desde 0,3 kbps hasta 50 kbps.

  • Estándar: LoRaWAN
  • Frecuencia: Varias
  • Alcance: 2-5km (entorno urbano), 15km (entorno rural)
  • Velocidad de transferencia: 0,3-50 kbps.

Z-Wave

Z-Wave es una tecnología RF de bajo consumo diseñada inicialmente para productos de domótica como controladores de iluminación y sensores. Optimizado para la comunicación fiable de baja latencia de pequeños paquetes de datos, alcanza velocidades de datos de hasta 100kbit/s, opera en la banda de sub-1 GHz y es robusta frente a interferencias de Wi-Fi y otras tecnologías inalámbricas en el rango 2,4 GHz como Bluetooth o ZigBee. Es totalmente compatible con redes de topología de malla, no necesita un nodo coordinador y es muy escalable, permitiendo controlar hasta 232 dispositivos.

Z-Wave utiliza un protocolo más simple que otras tecnologías lo que permite una mayor rapidez en el desarrollo, pero el único fabricante de chips compatibles es la empresa Sigma Design, en comparación con la multitud de empresas que ofrecen productos de otras tecnologías inalámbricas como ZigBee o Bluetooth.

  • Estándar: Z-Wave Alliance ZAD12837 / ITU-T G.9959
  • Frecuencia: 900MHz (Banda ISM)
  • Alcance: 30m
  • Velocidad de transferencia: 9,6/40/100kbit/s

NFC

NFC (Near Field Communication) es una tecnología que permite dos vías simultáneas de interacción segura entre dispositivos electrónicos, siendo especialmente adecuada para smartphones, permitiendo a los consumidores realizar transacciones de pago, acceder al contenido digital y conectar dispositivos electrónicos, todo ellos sin contacto. Esencialmente, amplía la capacidad de la tecnología contacless de las tarjetas inteligentes permitiendo conexiones punto a punto y modos de funcionamiento activos y pasivos.

  • Estándar: ISO/IEC 18000-3
  • Frecuencia: 13.56MHz (ISM)
  • Alcance: 10cm
  • Velocidad de transf.: 100–420kbps

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.

Es una alternativa de amplio alcance es Sigfox, que en términos de alcance está entre Wi-Fi y la comunicación móvil. Utiliza bandas ISM, que se pueden utilizar sin necesidad de adquirir licencias.

Sigfox responde a las necesidades de muchas aplicaciones M2M que funcionan con una batería pequeña y solo requieren niveles menores de transferencia de datos, allí donde WiFi se queda demasiado corto y la comunicación móvil es muy cara y consume demasiada energía.

Sigfox utiliza una tecnología llamada Ultra Narrow Band (UNB) diseñada para funcionar con bajas velocidades de transferencias de 10 a 1.000 bits por segundo.

Solo consume 50 microvatios (la comunicación móvil consume 5.000 microvatios) además de poder mantenerse en stand-by 20 años con una batería 2.5Ah (0,2 años para comunicaciones móviles).

Esta tecnología es robusta, energéticamente eficiente y funciona como una red escalable que puede comunicarse con millones de dispositivos móviles a lo largo de muchos kilómetros cuadrados. Así pues, es adecuada para aplicaciones M2M como: contadores inteligentes, monitores médicos, dispositivos de seguridad, alumbrado público y sensores ambientales.

El sistema Sigfox utiliza los transceptores inalámbricos que funcionan en la banda sub-1GHz ofreciendo un rendimiento excepcional, mayor alcance y un consumo mínimo.

  • Estándar: Sigfox
  • Frecuencia: 900MHz
  • Alcance: 30-50km (ambientes rurales), 3-10km (ambientes urbanos)
  • Velocidad de transferencia: 10-1000bps

Más información: https://www.rs-online.com/designspark/eleven-internet-of-things-iot-protocols-you-need-to-know-about