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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.

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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:

IoT con Arduino

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 cualquier cosa a Internet. Con un Arduino y un sencillo módulo ethernet o wifi podemos conectar a Internet sensores para informar, controlar motores o bombillas desde cualquier parte del mundo o mandar un SMS o email cada vez que se abra la puerta de casa.

Como afecta IoT a nuestro dia a dia: http://socialgeek.co/tecnologia/8-formas-que-the-internet-of-things-impactara-dia-dia

IoT en 5 minutos con Arduino: http://hackaday.com/2016/01/08/internet-of-things-in-five-minutes/

Aplicaciones de IoT: https://temboo.com/iot-applications

Temboo es una plataforma de IoT que nos permite conectar fácilmente mediante una API un Arduino con Internet, mostrar los datos recogidos e interactuar con ellos desde un navegador web.

Una visión del IoT aplicado a la industria es lo denominado como Industria 4.0 o Industria conectada o IIoT que deriva del concepto de M2M (machine to machine) que se refiere al intercambio de información o comunicación en formato de datos entre dos máquinas remotas sin necesidad de conexión a Internet sino que puede ser en una red privada y crear una industria inteligente donde todos los elementos están interconectados y comparten los datos.

Definiciones de wikipedia:

Diferencias entre IoT y M2M: https://www.pubnub.com/blog/2015-01-02-iot-vs-m2m-understanding-difference/

Telefónica y IoT: http://www.thinkingthings.telefonica.com/

El coche autónomo, en el que trabajan grupos como Google, BMW, Volvo o Tesla, es toda una proeza de la robótica.La conducción autónoma se basa en las comunicaciones máquina a máquina (M2M), por las que los vehículos pueden intercomunicarse con las señales, los semáforos y los otros automóviles. Todo esto también tiene mucho que ver con las smart cities.

Elementos que intervienen en el IoT

Explicación gráfica de los elementos necesarios en IoT: http://www.libelium.com/products/meshlium/wsn/

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

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

A modo de resumen, estos son los elementos en el IoT

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.

IoT con Arduino

Ahora vamos a conectar Arduino a Internet o a cualquier otro tipo de red, es este caso usaremos ethernet y WiFi.

Webserver con Ajax

Mediante Ajax podemos actualizar los datos de la web embebida en Arduino sin necesidad de cargar toda la web, sino solo mandando los datos actualizados, economizando los datos mandados a través de la red.

Ajax:

Ejemplo del webserver anterior que muestra los datos de las entradas analógicas pero con Ajax.

Código: https://github.com/jecrespo/Aprendiendo-Arduino-Proyectos/tree/master/Proyecto_9-Servidor_Web_%20Embebido/EthernetServer-Ajax

Ejemplo avanzado de regulador de encendido con ajax, ejercicio 42: https://github.com/jecrespo/Aprendiendo-Arduino/tree/master/Ejercicio42-Ajax

Grabar datos de Arduino en un Ordenador (datalogger)

Con Arduino conectado a una red, se pueden recoger los datos (datalogger) y mandarlos a un servidor (p.e. una Raspberry Pi) y guardarlos en una Base de Datos. Con estos datos almacenados podemos mostrarlos, analizarlos, etc…

Grabar Datos leídos por Arduino en la entrada analógica A0 y grabarlos en una BBDD dentro de una Raspberry Pi o de un servidor público.

Arduino llama a un servicio (p.e. en PHP) pasándole las variables que quiero almacenar y ese servicio se encarga de grabar en la BBDD que puede estar en el mismo servidor.

Métodos POST y GET de HTTP: http://www.w3schools.com/tags/ref_httpmethods.asp

Código: https://github.com/jecrespo/Aprendiendo-Arduino-Proyectos/tree/master/Proyecto_10-Grabar_Raspberry

BBDD: https://qvm602.aprendiendoarduino.com o IP Raspberry Pi

Mandar mensajes de Arduino y visualizarlos en tiempo real

Arduino solicita un nombre y un mensaje que escribimos en el puerto serie y lo manda a un servidor. Desde el servidor vemos los mensajes en tiempo real. Por ejemplo serviría para enviar alarmas a un sistema de monitorización cuando Arduino detecta un evento (pulsar un botón, abrir una puerta, etc…).

Visualizar los mensajes: http://www.aprendiendoarduino.com/servicios/ o IP Raspberry Pi

Código: https://github.com/jecrespo/Aprendiendo-Arduino-Proyectos/tree/master/Proyecto_10-Grabar_Mensajes

Uso de plataformas de IoT con Arduino

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

Algunas plataformas existentes son:

Ejercicios IoT

Plataforma Aprendiendoarduino

Disponemos de una plataforma sencilla de IoT en http://www.aprendiendoarduino.com/servicios/

Desde ella podemos:

El código de arduino para usar cada uno de ellos es:

Todo el código de la plataforma y Arduino en: https://github.com/jecrespo/aprendiendoarduino-servicios

Conexión para enviar datos de temperatura:

Datasheet sonda temperatura: https://www.arduino.cc/en/uploads/Main/TemperatureSensor.pdf

Thingspeak

Mandar datos de temperatura a una plataforma pública como https://thingspeak.com/

Código: https://github.com/jecrespo/Aprendiendo-Arduino/tree/master/Ejercicio65-Thingspeak_DHCP

ESP8266

Hacer un sketch para ESP8266 que mande un mensaje de alarma o un SMS cuando se ponga a masa el GPIO2 a masa y mande la recuperación al volver a leer HIGH.