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Dispositivos Hardware IoT

En este curso vamos a usar Arduino u otras placas compatible como HW de sensorización y actuación en IoT, pero existen otros microcontroladores o PLCs que haría la misma funcionalidad.

Dispositivos Hardware, son los dispositivos que van a medir y los que van a interactuar con el exterior. El elemento HW programable capaz de interactuar con estos dispositivos es el microcontrolador o el microprocesador.

Hay tres clases de dispositivos IoT:

  • Los dispositivos más pequeños son los controladores embedded de 8 bits System-On-Chip (SOC). Un buen ejemplo de este Open Source hardware es Arduino. Por ejemplo: Arduino Uno platform, este tipo de HW no suelen llevar sistema operativo (SO).
  • El siguiente nivel son los dispositivos con una arquitectura de 32 bits como los chips de Atheros y ARM. Normalmente estos dispositivos se basan en plataformas de Linux embedded, cómo OpenWRT u otros sistemas operativos embedded (Muchas veces incluyen pequeños routers domésticos y derivados de estos). En algunos casos, no corren ningún SO. Por ejemplo: Arduino Zero o Arduino Yun.
  • Las plataformas IoT con más capacidad son los sistemas completos de 32 y 64 bits, también se les denomina Single-Board-Computer (SBC). Estos sistemas, como Raspberry Pi o BeagleBone, pueden correr varios SO como Linux o Android. En muchos casos, estos son Smartphone o algún tipo de dispositivo basado en tecnologías móviles. Estos dispositivos pueden comportarse como Gateways o puentes para dispositivos más pequeños. Por ejemplo: un wearable que se conecta vía Bluetooth a un Smartphone o a una Raspberry Pi, es típicamente un puente para conectarse a Internet.

Además a esta lista de dispositivos podemos añadir los Microcontroladores Industriales o PLCs, softPLCs o cualquier dispositivo que pueda conectar a internet y del que pueda obtener datos como un power meter como http://circutor.com/en/products/metering o un dispositivo con interfaz SNMP.

Otro tipo de HW IoT son los Gateway. 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.

A estos dispositivos o nos nodos sensores se les lama también motes (short for remote) https://en.wikipedia.org/wiki/Sensor_node

Este es el primer elemento, es que está más cerca de las “cosas” es el HW que se encarga de medir e interactuar con las “cosas” y procesar esos datos. Este dispositivo puede tener conectado otros hardware como:

Programación de los dispositivos IoT

Un sistema operativo IoT es un sistema operativo diseñado para funcionar dentro de las restricciones propias de los dispositivos de Internet of Things, incluidas las restricciones de memoria, tamaño, potencia y capacidad de procesamiento. Los sistemas operativos de IO son un tipo de sistema operativo integrado, pero por definición están diseñados para permitir la transferencia de datos a través de Internet.

ARM Mbed es una plataforma y un sistema operativo para dispositivos conectados a Internet basado en microcontroladores ARM Cortex-M de 32 bits. Estos dispositivos también se conocen como dispositivos de Internet of Things. El proyecto es desarrollado en colaboración por Arm y sus socios tecnológicos.

RTOS sistemas operativos en Tiempo real para sistemas embebidos, generalmente basados en linux.

Buen resumen de lo necesario para saber sobre sistemas embebidos para IoT a nivel de HW http://so-unlam.com.ar/wiki/index.php/PUBLICO:Sistemas_embebidos_e_Internet_de_las_Cosas

Guia para elegir el mejor HW IoT: https://www.ibm.com/developerworks/library/iot-lp101-best-hardware-devices-iot-project/index.html

Hardware IoT

El HW libre por excelencia es Arduino como microcontrolador y Raspberry Pi como microprocesador, con menor potencia física pero mayor potencia de cálculo.

Dentro del HW libre no solo debemos quedarnos con Arduino, sino que existen otros dispositivos, incluso algunos son compatibles y se programan igual que Arduino:

Más HW IoT:

¿Conoces alguna más?

En el caso de HW libre, el siguiente paso es una personalización del HW mediante el diseño de HW como Eagle o Kicad

HW IoT Industrial

En el mundo industrial se está incorporando el IoT con la denominación IIoT (Industrial Internet of Things) ya sea con dispositivos basados en HW libre o los fabricantes de Autómatas están incorporando comunicaciones más abiertas a sus dispositivos.

PLC basado en Arduino: https://www.industrialshields.com/

Artículo de Industrial Shields sobre Arduino como aplicación de PLC: http://blog.industrialshields.com/es/iot-in-industry-improves-reliability-equipment/

PLCs basados en Arduino: https://industruino.com/

PLC basado en Arduino: http://www.winkhel.com/

Carcasa para Arduino y Raspberry Pi en la industria: Arduibox: http://www.hwhardsoft.de/english/webshop/raspibox/#cc-m-product-10145780397

SIMATIC IOT2020: gateway de Siemens basado en Arduino para futuras aplicaciones industriales: http://es.rs-online.com/web/p/kit-de-desarrollo-de-iot/1244037/ y aplicaciones https://www.rs-online.com/designspark/simatic-iot2020.

Simatic IoT 2040: https://w3.siemens.com/mcms/pc-based-automation/en/industrial-iot/Documents/simatic-ioc2040-flyer-en.pdf

Los otros PLCs SBC (Single Board Computer): http://www.infoplc.net/blogs-automatizacion/item/102505-plc-single-board-computer

OpenPLC Project: http://www.openplcproject.com/

Autómatas con MQTT: http://www.unitronics.com/ y modelo nistream https://unitronicsplc.com/unistream-series-unistream5/

ABB PM556, automata de ABB abierto: http://new.abb.com/drives/es/noticias-y-casos-de-exito/impulsa-el-internet-de-las-cosas-los-servicios-y-las-personas

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Tecnologías IoT

Pensando en los actores que participan en el ecosistema IoT se pueden identificar las siguientes tecnologías

Dispositivos Hardware, son los dispositivos que van a medir y los que van a interactuar con el exterior.

  • Arduino
  • ESP8266, HW low cost con wifi
  • Otras plataformas HW para IoT: https://www.postscapes.com/internet-of-things-hardware/
  • HW y conectividades de http://www.libelium.com/ son de Zaragoza y tienen buenas formaciones.
  • Diseño de HW como Eagle o KiCad, es el siguiente paso de Arduino a una personalización del HW
  • Android Things es una adaptación del Sistema Operativo Android para dispositivos que los desarrolladores quieran convertir en Inteligentes. Android Things, sistema operativo y development kit para HW de IoT https://developer.android.com/things/
  • RTOS sistemas operativos en Tiempo real para sistemas embebidos, generalmente basados en linux.
  • Autómatas o PLCs para la parte industrial y SoftPLCs

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

  • Zigbee
  • Sigfox
  • LoWaRan, LPWA
  • Bluetooth/wifi/NFC/ANT+ y beacons
  • Seguridad en la comunicaciones, es un de los retos de IoT
  • nRF24L01 is a highly integrated, ultra low power (ULP) 2Mbps RF transceiver IC for the 2.4GHz ISM (Industrial, Scientific and Medical) band.

Protocolos de comunicación, con los que comunicar el HW con el SW

  • Fiware
  • MQTT
  • API REST/HTTP
  • SNMP
  • Buses de campo industriales, modbus, etc…

Plataformas IoT,  para tratar los datos recogidos por nuestros sensores y almacenarlos. Estas plataformas tienen un HW y el SW que usan:

Encuesta: https://blogs.eclipse.org/post/benjamin-cab%C3%A9/key-trends-iot-developer-survey-2018

Servicios IoT, son los servicios que ofrecen las plataformas

  • Machine learning, inteligencia artificial en los dispositivos
  • Smart Metering
  • Open Data
  • Dashboards/Cuadros de mando
  • Almacenamiento de datos
  • Análisis de Datos
  • Visualización de Datos

Ejemplos de empresas en el ecosistema IoT:

Áreas involucradas en IoT

  • Electrónica
  • Desarrollo de HW embebido
  • Desarrollo de SW
  • Redes informáticas y de telecomunicaciones
  • Administración de sistemas
  • Sistemas de información, BDDs
  • Desarrollo web, cloud computing
  • Seguridad informática
  • Big data: dashboards, análisis de datos, procesamiento de datos, etc.
  • Dominio del campo aplicado: electricidad, electrónica de control, mecánica, física, mecatrónica, medicina, agronomía, etc.
  • Desarrollo de producto
  • etc…

Recursos open source IoT:

Kit de Prácticas UR-Maker

El kit de prácticas disponible es: https://es.aliexpress.com/item/UNO-KIT-Upgraded-version-of-the-For-Starter-Kit-the-RFID-learn-Suite-Stepper-Motor-ULN2003/1207142899.html

Driver Arduino UNO de este kit:

Descripción:

  • 1 X Arduino UNO
  • 1 X Cable USB
  • 1 X Jump Cable
  • 1 X Breadboard
  • 5 X luz LED
  • 1 Pack resistencia
  • 1 X hembra a macho línea dupond
  • 1 X potenciómetro
  • 1 X Buzzer
  • 1X 74HC595 (Shift Register)
  • 1 X receptor de infrarrojos
  • 1 X ds18b20
  • 1 X Sensor de llama
  • 1 X interruptor de bola
  • 1 X fotoresistor
  • 1 X botón clave
  • 1 X control Remoto
  • 1 X tubo de pantalla de 4 dígitos
  • 1 X 8*8 Módulo de matriz de puntos
  • 1 X 1-Tubo de visualización de dígitos
  • 1 X convertidor de motor paso a paso
  • 1 X motor paso a paso
  • 1 X 9g Servo
  • 1 X IIC 1602 LCD
  • 1 X Módulo de joystick XY
  • 1 X Módulo de temperatura
  • 1 X Módulo de prueba de agua
  • 1 X módulo RFID
  • 1 X llavero RFID
  • 1 X Tarjeta blanca RFID
  • 1 X Módulo de sonido
  • 1 X módulo de relé
  • 1 X Módulo de reloj
  • 1 X 4*4 tablero clave
  • 1 X Módulo de color RGB 3
  • 1 X 9 V batería Snap

Arduino UNO, Nano y NodeMCU ESP8266 a buen precio

Una de las preguntas que me hacen con más frecuencia es donde comprar Arduinos a buen precio. Una de las opciones para comprar Arduinos es GearBest https://www.gearbest.com/

Aquí os dejo tres Arduinos que puedes usar en muchos proyectos y que en función del proyecto y sus necesidades doy pistas para optar por uno u otro.

Arduino UNO

Arduino UNO es el Arduino más popular y del que existe más documentación en Internet. Es el Arduino perfecto para iniciarse y al tener el factor de forma estándar de Arduino puedes ponerle alguno de los miles de shields disponibles en el mercado, aquí puedes ver algunos ejemplos https://www.gearbest.com/arduino-shields-_gear/

Un detalle de estos Arduinos es que es necesario instalarse el driver de conversor de puerto serial a USB. Este Arduino dispone de un chip CH340G como conversor serial a USB y por lo tanto deberemos usar el driver de este chip y que podemos encontrar su última versión en http://www.wch.cn/download/CH341SER_EXE.html. Enlaces de descarga:

En este enlace puedes comprarlo por alrededor de 4€ y con envío gratuito a España: https://www.gearbest.com/boards-shields/pp_228782.html?wid=1433363

Arduino Nano

Arduino Nano es el Arduino ideal para los proyectos donde es necesario un Arduino con el microcontrolador ATmega328P del Arduino UNO pero con un tamaño mucho más pequeño, menor consumo e incluso alimentar mediante batería.

Al igual que el Arduino UNO, este Arduino Nano dispone de un chip CH340G como conversor serial a USB y por lo tanto deberemos usar el driver de este chip y que podemos encontrar su última versión en http://www.wch.cn/download/CH341SER_EXE.html. Enlaces de descarga:

En este enlace puedes comprarlo por alrededor de 4€ y con envío gratuito a España: https://www.gearbest.com/boards-shields/pp_265453.html?wid=1433363

NodeMCU ESP8266

Si quieres empezar a trabajar con ESP8266 o tu proyecto con Arduino necesita de conexión wifi, el módulo más adecuado es el NodeMCU ESP8266 por su facilidad de uso y pequeño tamaño.

Se trata de la versión de hardware v1.0, debe tenerse en cuenta porque las versiones anteriores cambian bastante los pines y los drivers a instalar.

Comparación entre versiones:

Para usar el NodeMCU es necesario instalar el driver del chip adaptador de serial a USB. Esta placa dispone de un chip CP2102 como conversor serial a USB y por lo tanto deberemos usar el driver de este chip y que podemos encontrar su última versión en https://www.silabs.com/products/development-tools/software/usb-to-uart-bridge-vcp-drivers.

En este enlace puedes comprarlo por alrededor de 4€ y con envío gratuito a España: https://www.gearbest.com/transmitters-receivers-module/pp_366523.html?wid=1433363

Si quieres más información sobre el uso del ESP8266 y del nodeMCU puedes ver estos artículos del curso avanzado de Arduino:

También hablo del nodeMCU en estos dos vídeos del curso de ESP8266:

Hardware para Robótica Educativa

No hay duda de que actualmente la programación y la robótica están cada vez más presente en nuestro sistema educativo en todos sus niveles, desde la Educación Infantil hasta la Enseñanza Universitaria.

Lo que se conoce como Robótica Educativa es un método de aprendizaje basado en la corriente pedagógica del constructivismo que tiene como objetivo el diseño, ensamble y puesta en funcionamiento de creaciones propias.

Permite desarrollar conocimientos tanto científicos como tecnológicos, así como de  otras disciplinas con las que se encuentra estrechamente relacionada. En particular se emplea la Educación STEM,  acrónimo en inglés de Science, Technology, Engineering and Mathematics, en la que se tratan estas cuatro grandes áreas de conocimiento de manera integrada en lugar de como áreas de conocimiento independientes.

Como recurso educativo, la programación de robots, permite trabajar en el aula  aspectos como la creatividad, el pensamiento lógico, capacidades organizativas, desarrollo de la psicomotricidad fina, aprendizaje basado en proyectos, resolución de problemas o el fomento del trabajo colaborativo.

Muchos de los kits para iniciarse en la electrónica y programación de robots destinados a la educación están basados en Arduino. De este modo,  los estudiantes pueden adentrarse en la robótica gracias a este software y hardware de desarrollo libre.

Arduino es un conjunto de herramientas de software y plataformas de hardware de código abierto, basadas en una placa que incluye circuitos electrónicos con entradas y salidas, analógicas y digitales, que conectan el mundo físico con el mundo virtual para crear desde procesos simples hasta “cosas” inteligentes, conectadas e interactivas como robots. Con estas placas es posible enviar o recibir información de cualquier sistema electrónico conectado a él. Son capaces de leer entradas (luz en un sensor o un dedo en un botón) y convertirlo en una salida (activar un motor o encender una luz).

Kits para robótica educativa: https://www.ro-botica.com/tienda/robotica-educativa

Productos de Robótica Educativa: https://www.ro-botica.com/educacion-productos/

Niveles por Edades:

Y mucho más en http://ro-botica.com/

Escornabot

Escornabot es un proyecto de código/hardware abierto cuyo objetivo es acercar la robótica y la programación a los niños y niñas.

El Escornabot básico puede programarse con los botones para ejecutar secuencias de movimientos. A partir de aquí, la imaginación es el único límite en las posibilidades.

Principales características:

  • Lo haces tú. Y tus alumnos, hijos, primos pequeños… Cualquiera puede ayudar participando en el proceso desde el principio. El placer de fabricar tu propio escornabot hace que sea una experiencia estupenda, sobre todo si hay niños participando.
  • Es un proyecto de hardware abierto (OSHW) y software libre (FOSS) y puedes adaptar sus características a tus necesidades: ponerle sensores, leds, cambiar la apertura del ángulo de giro, la distancia que avanza… cualquier cosa que se te ocurra.
  • Es (por precio) más asequible que otros robots educativos comerciales. Montar un escornabot puede costar menos de 20€ si sabes donde comprar los componentes (por internet). Este precio no es su valor porque lleva tiempo de trabajo y otros costes indirectos (especialmente la impresión 3D de las piezas).

Más información:

MakeBlock

MakeBlock es la marca del hardware para el que está desarrollado mBlock, pero que también podemos usar con Arduino, puesto que sus robots educativos están basados en Arduino.

Makeblock Co., Ltd es un proveedor líder de soluciones de educación STEAM. Dirigida a los mercados educativos y de entretenimiento de STEAM para escuelas, instituciones educativas y familias, Makeblock ofrece el hardware, software, soluciones de contenido y competencias de robótica de primer nivel más completos.

Makeblock Education: http://education.makeblock.com/

Enlaces:

Learn de makeblock: http://learn.makeblock.com/en/

Catálogos:

Imprimir en 3D las piezas de MakeBlock (ver estructural parts): https://grabcad.com/library/data-of-makeblock-parts-1

Makeblock dispones de distintos tipos de kits:

Placas MakeBlock

Placa basadas en Arduino

Shield para convertir un Arduino en un makeblock Me UNO Shield:

Makeblock mBot

mBot es un Kit de robot educativo de nivel básico. Fácil de construir con la guía de montaje incluida,  3 modos de control preestablecidos y programación basada en bloques

Enlaces

Robot Educativo mBot:

Makeblock Ranger

El mBot Ranger es un kit que te permite construir 3 robots diferentes

  • Robot todo-terreno con ruedas tipo oruga
  • Robot de 2 ruedas capaz de mantenerse estable gracias a su giróscopo
  • Robot de 3 ruedas para realizar maniobras complicadas

Enlaces:

Libro: https://www.zambeca.cl/tiendaOficial/documentos/MakeBlock/Divirtiendome_con_mBot_Ranger.pdf

Edison

Edison es un robot programable diseñado para ser un recurso de enseñanza STEM completo para la educación sobre codificación y robótica para estudiantes de 4 a 16 años de edad.

Más información:

mOway

El objetivo de mOway es hacer la robótica accesible a todo el mundo que quiera desarrollar aplicaciones de robótica, despertar el interés en la programación e introducirla en toda la sociedad.

Queremos crear un producto para todas las edades. La misma herramienta para diferentes lenguajes de programación y para diferentes niveles, la cual está lista para trabajar y obtener resultados desde el principio. Un robot con el que el único límite es tu imaginación.

Web: http://moway-robot.com/es/inicio/

Kits mOway: http://www.ro-botica.com/tienda/mOway/

Moway: http://www.ro-botica.com/tienda/mOway/

mOwayduino: https://www.ro-botica.com/Producto/robot-mOwayduino-basado-en-ARDUINO/

Otros Kits de Robotica Educatica

Littlebots: https://www.littlearmrobot.com/

Fischertechnik:

Lego® Education

Kits para montar: