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Protocolos y tecnologías de IoT

Entre en el mundo y la tecnología de IoT. Esta guía proporciona una base sólida sobre los protocolos y la tecnología de IoT para ayudarlo a tomar las decisiones adecuadas para su proyecto.

Guía de protocolos y tecnologías de IoT

La Internet de las cosas es una convergencia de sistemas insertados, redes de sensores inalámbricos, sistemas de control y automatización que posibilita factorías industriales conectadas, una venta minorista inteligente, una asistencia sanitaria de nueva generación, casas y ciudades inteligentes, y dispositivos ponibles. Las tecnologías de IoT le permiten transformar su negocio con conclusiones basadas en datos, procesos operativos mejorados, nuevas líneas de negocio y un uso más eficaz de los materiales.

La tecnología de IoT continúa expandiéndose, con innumerables proveedores de servicios, una gran variedad de plataformas y millones de dispositivos nuevos que emergen cada año, lo que hace que los desarrolladores deban tomar muchas decisiones antes de entrar en el ecosistema de IoT.

Esta guía está diseñada para ayudarle a comprender los requisitos de conectividad, el potencial y los protocolos de IoT más comunes. Si busca una introducción más básica a la tecnología de IoT, eche un vistazo a las guías web ¿Qué es IoT? e Introducción a la seguridad de IoT.

Ecosistema de tecnologías de IoT

El ecosistema de tecnologías de IoT se compone de los siguientes niveles: dispositivos, datos, conectividad y usuarios de las tecnologías.

Nivel de dispositivos

Combinación de sensores, accionadores, hardware, software, conectividad y puertas de enlace que constituyen un dispositivo que se conecta e interactúa con una red.

Nivel de datos

Datos que se recopilan, procesan, envían, almacenan, analizan, presentan y usan en contextos empresariales.

Nivel de negocio

Funciones empresariales de las tecnologías de IoT, incluida la administración de la facturación y los marketplace de datos.

Nivel de usuario

Personas que interactúan con dispositivos y tecnologías de IoT.

Obtenga más información sobre cómo conectar los dispositivos correctamente cuando se crean soluciones con Azure IoT Hub.

Pila de tecnologías de IoT, 1ª parte:
Dispositivos IoT

Los dispositivos IoT varían considerablemente, pero tienden a compartir este vocabulario y estos conceptos comunes. También puede obtener más información sobre la variedad de dispositivos que usan la tecnología de IoT en este catálogo de dispositivos IoT.

Accionadores

Los accionadores realizan acciones físicas cuando su centro de control se lo indica, normalmente debido a cambios identificados por los sensores. Son un tipo de transductor.

Sistemas insertados

Los sistemas insertados se basan en microprocesadores o microcontroladores y administran una función específica dentro de un sistema más grande. Incluyen componentes tanto de hardware como de software; por ejemplo, Azure RTOS.

Dispositivos inteligentes

Dispositivos que tienen la capacidad de procesar información. A menudo, incluyen un microcontrolador y pueden usar servicios como Azure IoT Edge para optimizar la implementación de determinadas cargas de trabajo entre los dispositivos.

Unidad de microcontrolador (MCU)

Estos equipos pequeños se insertan en microchips y contienen CPU, RAM y ROM. Aunque contienen los elementos necesarios para ejecutar tareas sencillas, los microcontroladores tienen menos capacidad que los microprocesadores.

Unidad de microprocesador (MPU)

Las MPU realizan las funciones de las CPU en uno o varios circuitos integrados. Aunque los microprocesadores necesitan periféricos para realizar las tareas, reducen considerablemente los costos de procesamiento, porque solo contienen una CPU.

Dispositivos sin capacidad de proceso

Dispositivos que solo se conectan y transmiten datos, y no tienen capacidad de proceso.

Transductores

En términos generales, los transductores son dispositivos que convierten una forma de energía en otra. En los dispositivos IoT, esta categoría incluye los sensores y accionadores internos que transmiten datos a medida que diversos dispositivos interactúan con su entorno.

Sensores

Los sensores detectan cambios en su entorno y crean impulsos eléctricos para comunicarse. Normalmente, los sensores detectan variaciones en el entorno, como los cambios de temperatura, la presencia de productos químicos y la posición física, y son un tipo de transductor.

Pila de tecnologías de IoT, 2ª parte:
Protocolos y conectividad de IoT

Conexión de dispositivos IoT

Un aspecto importante del planeamiento de un proyecto con tecnología de IoT es determinar los protocolos de IoT de los dispositivos, es decir, cómo se conectan y se comunican los dispositivos. En la pila de tecnologías de IoT, los dispositivos se conectan a través de puertas de enlace o de funcionalidad integrada.

¿Qué son las puertas de enlace de IoT?

Las puertas de enlace forman parte de la tecnología de IoT que se puede usar para facilitar la conexión de los dispositivos IoT a la nube. Aunque no todos los dispositivos IoT requieren una puerta de enlace, se pueden usar para establecer la comunicación de dispositivo a dispositivo o para conectar dispositivos que no se basan en el protocolo IP y no se pueden conectar a la nube directamente. Los datos recopilados de los dispositivos IoT se mueven a través de una puerta de enlace, se preprocesan en el perímetro y se envían a la nube.

El uso de puertas de enlace de IoT puede reducir la latencia y los tamaños de transmisión. El uso de puertas de enlace en los protocolos de IoT permite también conectar dispositivos que no tienen acceso directo a Internet y proporcionan un nivel más de seguridad, porque protegen los datos que se mueven en ambas direcciones.

¿Cómo se conectan los dispositivos IoT a la red?

El tipo de conectividad que se utiliza como parte del protocolo de IoT depende del dispositivo, de su función y de los usuarios. Normalmente, la distancia a la que los datos deben viajar (corta o larga) determina el tipo de conectividad de IoT necesaria.

Tipos de redes de IoT

Redes de corto alcance y bajo consumo

Las redes de baja potencia y corto alcance están indicadas para hogares, oficinas y otros entornos de reducido tamaño. Normalmente, necesitan baterías pequeñas y su uso suele resultar económico.

Ejemplos comunes:

Bluetooth

La tecnología Bluetooth envía señales de voz y datos hasta una distancia de 10 metros y es ideal para la transferencia de datos de alta velocidad.

NFC

Conjunto de protocolos para la comunicación entre dos dispositivos electrónicos que se encuentren a una distancia de 4 cm o menos. NFC ofrece una conexión de baja velocidad con una configuración sencilla que se puede usar para iniciar conexiones inalámbricas de más capacidad.

Wi-Fi/802.11

El bajo costo del uso del Wi-Fi lo convierte en un estándar en hogares y oficinas. Sin embargo, es posible que no sea la opción adecuada para todos los escenarios, por su alcance limitado y el consumo energético ininterrumpido.

Z-Wave

Red en malla que usa ondas de radio de baja potencia para la comunicación de dispositivo a dispositivo.

Zigbee

Especificación basada en IEEE 802.15.4 para un conjunto de protocolos de comunicación de alto nivel que se usan para crear redes de área personal con un radio digital pequeño de baja potencia.

Redes de área extensa de bajo consumo (LPWAN)

Las redes LPWAN permiten la comunicación en un radio mínimo de 500 metros, tienen un consumo de energía mínimo y se usan para la mayoría de los dispositivos IoT. Los siguientes son algunos ejemplos comunes de redes LPWAN:

4G LTE para IoT

Estas redes ofrecen alta capacidad y baja latencia, por lo que son una excelente opción para escenarios de IoT que requieren actualizaciones o información en tiempo real.

5G para IoT

Aunque aún no está disponible, se espera que las redes 5G para IoT permitan más innovaciones en este campo, ya que proporcionan velocidades de descarga mucho más rápidas y conectividad con muchos más dispositivos en un área determinada.

Cat-0

Estas redes basadas en LTE son la opción menos costosa. Sientan las bases para Cat-M, una tecnología que reemplazará al 2G.

Cat-1

Este estándar para IoT de telefonía móvil reemplazará finalmente al 3G. Las redes Cat-1 son fáciles de configurar y ofrecen una excelente solución para las aplicaciones que requieren una interfaz de explorador o de voz.

LoRaWAN

Las redes de área extensa de largo alcance (LoRaWAN) conectan dispositivos móviles, seguros y con batería bidireccional.

LTE Cat-M1

Estas redes son totalmente compatibles con las redes LTE. Optimizan el costo y el consumo de energía en una segunda generación de chips LTE diseñada específicamente para aplicaciones de IoT.

Banda estrecha o NB-IoT/CAT-M2

NB-IoT/Cat-M2 utiliza la modulación del espectro ensanchado por secuencia directa (DSSS) para enviar datos directamente al servidor, lo que elimina la necesidad de una puerta de enlace. Aunque la configuración de las redes NB-IoT es más costosa, el hecho de no necesitar una puerta de enlace hace que su uso resulte más económico.

Sigfox

Este proveedor internacional de redes de IoT ofrece redes inalámbricas para conectar objetos de baja potencia que emiten datos continuamente.

Protocolos de IoT: comunicación de los dispositivos IoT con la red

Los dispositivos IoT se comunican mediante protocolos de IoT. El protocolo de Internet (IP) es un conjunto de reglas que determina cómo se envían los datos a Internet. Los protocolos de IoT garantizan que un dispositivo, una puerta de enlace o un servicio lea y comprenda la información enviada por otro dispositivo o un sensor. Se han diseñado y optimizado diferentes protocolos de IoT para distintos escenarios y usos. Dada la gran diversidad de dispositivos IoT disponibles, es importante usar el protocolo adecuado en el contexto adecuado.

¿Qué protocolo de IoT es el adecuado para mí?

El tipo de protocolo de IoT que necesitará dependerá del nivel de arquitectura del sistema en el que viajarán los datos. El modelo de interconexión de sistemas abiertos (OSI) proporciona un mapa de los distintos niveles que envían y reciben datos. Cada protocolo de IoT de la arquitectura del sistema de IoT permite la comunicación de dispositivo a dispositivo, de dispositivo a puerta de enlace, de puerta de enlace a centro de datos o de puerta de enlace a la nube, así como la comunicación entre centros de datos.

Nivel de aplicación

El nivel de aplicación actúa como interfaz entre el usuario y el dispositivo con un protocolo de IoT determinado.

Advanced Message Queuing Protocol (AMQP)

Nivel de software que crea interoperabilidad entre el middleware de mensajería. Ayuda a que una gran variedad de aplicaciones y sistemas funcionen juntos, lo que permite crear una mensajería normalizada a escala industrial.

Protocolo de aplicación restringida (CoAP)

Protocolo de red y ancho de banda restringidos diseñado para que dispositivos con capacidad limitada puedan conectarse en la comunicación entre máquinas. CoAP es también un protocolo de transferencia de documentos que se ejecuta a través del Protocolo de datagramas de usuario (UDP).

Servicio de distribución de datos (DDS)

Protocolo de comunicación punto a punto versátil que hace de todo, desde ejecutar pequeños dispositivos hasta conectar redes de alto rendimiento. DDS optimiza la implementación, aumenta la confiabilidad y reduce la complejidad.

Message Queue Telemetry Transport (MQTT)

Protocolo de mensajería diseñado para la comunicación ligera entre equipos que se usa principalmente para las conexiones de poco ancho de banda con ubicaciones remotas. MQTT utiliza un patrón de publicación-suscripción y es ideal para dispositivos pequeños que requieren un uso eficiente del ancho de banda y de la batería.

Nivel de transporte

En cualquier protocolo de IoT, el nivel de transporte habilita y protege la comunicación de los datos mientras viajan entre niveles.

Protocolo de control de transmisión (TCP)

Protocolo dominante en la mayor parte de la conectividad con Internet. Ofrece comunicación entre hosts, para lo que divide grandes conjuntos de datos en paquetes individuales que reenvía y vuelve a ensamblar según sea necesario.

Protocolo de datagramas de usuario (UDP)

Protocolo de comunicaciones que permite la comunicación entre procesos y se ejecuta sobre IP. UDP mejora la velocidad de transferencia de datos a través de TCP y es ideal para las aplicaciones que requieren transmisiones de datos sin pérdida.

Nivel de red

El nivel de red de un protocolo de IoT permite la comunicación entre los dispositivos individuales y el enrutador.

IP

Muchos protocolos de IoT utilizan IPv4, mientras que las ejecuciones más recientes usan IPv6. Esta actualización reciente de IP redirige el tráfico a través de Internet e identifica y localiza dispositivos en la red.

6LoWPAN

Este protocolo de IoT funciona mejor con dispositivos de baja potencia que tienen una capacidad de procesamiento limitada.

Nivel de vínculo de datos

El nivel de datos es la parte del protocolo de IoT que transfiere los datos dentro de la arquitectura del sistema e identifica y corrige los errores que encuentra en el nivel físico.

IEEE 802.15.4

Estándar de radio para una conexión inalámbrica de bajo consumo. Se usa con Zigbee, 6LoWPAN y otros estándares para crear redes inalámbricas insertadas.

LPWAN

Las redes de área extensa de baja potencia (LPWAN) permiten la comunicación a distancias desde 500 metros hasta más de 10 km en algunos lugares. LoRaWAN es un ejemplo de red LPWAN optimizada para un consumo bajo de energía.

Nivel físico

El nivel físico es el canal de comunicación entre los dispositivos de un entorno específico.

Bluetooth Low Energy (BLE)

BLE reduce drásticamente el consumo de energía y el costo, y mantiene una distancia de conectividad similar a la del Bluetooth clásico. BLE funciona de forma nativa en todos los sistemas operativos móviles y se está convirtiendo rápidamente en el favorito para la electrónica de consumo por su bajo costo y la larga duración de la batería.

Ethernet

Esta conexión por cable es una opción menos costosa que proporciona conectividad rápida para datos con una latencia baja.

Evolución a largo plazo (LTE)

Estándar de comunicación inalámbrica de banda ancha para dispositivos móviles y terminales de datos. LTE aumenta la capacidad y la velocidad de las redes inalámbricas y admite secuencias de difusión y multidifusión.

Transmisión de datos en proximidad (NFC)

Conjunto de protocolos de comunicación que utilizan campos electromagnéticos y permiten que dos dispositivos se comuniquen si están a una distancia no superior a cuatro centímetros. Los dispositivos habilitados para NFC funcionan como tarjetas de identidad y suelen utilizarse para pagos móviles, vales y tarjetas inteligentes sin contacto.

Power Line Communication (PLC)

Tecnología de comunicación que permite enviar y recibir datos a través de los cables eléctricos. Permite alimentar y controlar un dispositivo IoT a través del mismo cable.

Identificación por radiofrecuencia (RFID)

El protocolo RFID utiliza campos electromagnéticos para hacer un seguimiento de las etiquetas electrónicas no alimentadas de otro modo. El hardware compatible proporciona energía y se comunica con estas etiquetas para leer su información con fines de identificación y autenticación.

Wi-Fi/802.11

Wi-Fi/802.11 es la conexión habitual en hogares y oficinas. Aunque es una opción económica, puede que no se ajuste a todos los escenarios por su alcance limitado y el consumo energético ininterrumpido.

Z-Wave

Red en malla que usa ondas de radio de baja potencia para la comunicación de dispositivo a dispositivo.

Zigbee

Especificación basada en IEEE 802.15.4 para un conjunto de protocolos de comunicación de alto nivel que se usan para crear redes de área personal con un radio digital pequeño de baja potencia.

Pila de tecnologías de IoT, 3ª parte:
Plataformas de IoT

Las plataformas de IoT facilitan la creación y el lanzamiento de proyectos de IoT, ya que proporcionan un único servicio que administra la implementación, los dispositivos y los datos. Las plataformas de IoT administran los protocolos de hardware y software, ofrecen seguridad y autenticación, y proporcionan interfaces de usuario.

La definición exacta de una plataforma de IoT varía, porque más de 400 proveedores de servicios ofrecen características que abarcan desde software y hardware hasta SDK y API. Sin embargo, la mayoría de las plataformas de IoT incluyen lo siguiente:

  • Una puerta de enlace en la nube para IoT.
  • Autenticación, administración de dispositivos y API.
  • Infraestructura en la nube.
  • Integración con aplicaciones de terceros.

Servicios administrados

Los servicios administrados de IoT ayudan a las empresas a operar y mantener de forma proactiva el ecosistema de IoT. Hay disponible una gran variedad de servicios administrados de IoT, como Azure IoT Hub, para optimizar y sustentar el proceso de creación, implementación, administración y supervisión de su proyecto de IoT.

Aplicación de las tecnologías actuales en la IoT

Inteligencia artificial e IoT

Los sistemas de IoT recopilan cantidades de datos tan grandes que a menudo es necesario usar inteligencia artificial y aprendizaje automático para ordenar y analizar esos datos, con el fin de poder detectar patrones y tomar medidas en función de la información obtenida. Por ejemplo, la inteligencia artificial puede analizar los datos recopilados de los equipos de fabricación y predecir la necesidad de mantenimiento, lo que reduce los costos y el tiempo de inactividad por averías inesperadas.

Cadena de bloques e IoT

Actualmente, no hay ninguna forma de confirmar que los datos de IoT no se hayan manipulado antes de venderlos o compartirlos. Las tecnologías de cadena de bloques e IoT trabajan juntas para eliminar los silos de datos y fomentar la confianza, con el fin de que los datos se puedan comprobar y rastrear, y se pueda confiar en ellos.

Kubernetes e IoT

Gracias a un modelo de implementación sin tiempo de inactividad, Kubernetes facilita que los proyectos de IoT se mantengan actualizados en tiempo real sin afectar a los usuarios. Kubernetes se escala de forma fácil y eficaz con recursos en la nube y proporciona una plataforma común para la implementación en el perímetro.

Código abierto e IoT

Las tecnologías de código abierto están acelerando la IoT, ya que permiten que los desarrolladores utilicen las herramientas que prefieran en aplicaciones de tecnologías de IoT.

Computación cuántica e IoT

La gran cantidad de datos generados por la IoT se presta de forma natural a la capacidad de aceleración de la informática cuántica a través de cálculos intensivos. Además, la criptografía cuántica contribuye a agregar un nivel de seguridad que es necesario, pero que en la actualidad se ve obstaculizado por la escasa capacidad de proceso inherente a la mayoría de los dispositivos IoT.

Informática sin servidor e IoT

La informática sin servidor permite a los desarrolladores crear aplicaciones más rápido, ya que no es necesario que administren la infraestructura. Con las aplicaciones sin servidor, el proveedor de servicios en la nube aprovisiona, escala y administra automáticamente la infraestructura necesaria para ejecutar el código. Con lo variable que es el tráfico en los proyectos de IoT, la informática sin servidor proporciona una manera rentable de escalar los recursos de forma dinámica.

Realidad virtual e IoT

La realidad virtual y la IoT usadas conjuntamente pueden facilitar la visualización de sistemas complejos y la toma de decisiones en tiempo real. Por ejemplo, el uso de una forma de realidad virtual denominada realidad aumentada (también conocida como realidad mixta) permite mostrar datos de IoT importantes en forma de gráficos sobre objetos (por ejemplo, los dispositivos IoT) o áreas de trabajo reales. La combinación de realidad virtual e IoT ha inspirado avances tecnológicos en sectores como los de la asistencia sanitaria, el servicio de campo, el transporte y la fabricación.

Digital Twins e IoT

Probar los sistemas antes de ejecutarlos puede suponer un ahorro drástico de tiempo y dinero. Digital Twins toma los datos de varios dispositivos IoT y los integra con los datos de otros orígenes para ofrecer una visualización del modo en el que el sistema interactuará con los dispositivos, las personas y los espacios.

Datos y análisis de IoT

Las tecnologías de IoT proporcionan volúmenes de datos tan grandes que son necesarios procesos y herramientas especializados para convertir los datos en información útil. Aplicaciones y desafíos comunes de tecnología de IoT:

Aplicación: Mantenimiento predictivo

Los modelos de aprendizaje automático para IoT diseñados y entrenados para identificar señales en datos históricos se pueden usar para identificar las mismas tendencias en los datos actuales. Esto permite a los usuarios automatizar las solicitudes de mantenimiento preventivo y solicitar nuevas piezas con antelación para que estén siempre disponibles cuando sea necesario.

Aplicación: Decisiones en tiempo real

Hay disponible una gran variedad de servicios de análisis de IoT diseñados para proporcionar informes completos en tiempo real, entre los que se incluyen:

  • Almacenamiento de grandes volúmenes de datos con formatos que permiten a las herramientas de análisis realizar consultas.
  • Procesamiento de flujos de datos de gran volumen para filtrar y agregar los datos antes de analizarlos.
  • Respuesta de análisis con baja latencia mediante el uso de herramientas de análisis en tiempo real que notifican y visualizan los datos.
  • Ingesta de datos en tiempo real con agentes de mensajes.

Desafío: Almacenamiento de datos

La recopilación de grandes cantidades de datos conlleva la necesidad de un almacenamiento de gran tamaño para esos datos. Hay disponibles varios servicios de almacén de datos que varían en cuanto a características como las estructuras organizativas, los protocolos de autenticación y los límites de tamaño.

Desafío: Procesamiento de datos

El volumen de datos recopilados a través de IoT supone un desafío en cuanto a limpieza, procesamiento e interpretación a gran velocidad. El proceso perimetral soluciona este desafío al desplazar la mayor parte del procesamiento de los datos de un sistema centralizado al perímetro de la red, más cerca de los dispositivos que necesitan los datos. Sin embargo, la descentralización del procesamiento de los datos conlleva nuevas dificultades, como la confiabilidad y la escalabilidad de los dispositivos perimetrales y la seguridad de los datos en tránsito.

Seguridad y privacidad en IoT

La seguridad y la privacidad de la IoT son consideraciones críticas en cualquier proyecto de IoT. Aunque la tecnología de IoT puede transformar las operaciones comerciales, los dispositivos IoT pueden suponer amenazas si no están bien protegidos. Los ciberataques puede poner en peligro los datos, estropear los equipos e incluso causar daños.

Una ciberseguridad sólida para IoT, como Azure Sphere, va más allá de las medidas de confidencialidad habituales para incluir el modelado de amenazas. Comprender las distintas formas en las que los atacantes pueden poner en peligro su sistema es el primer paso para evitar ataques.

A la hora de planear y desarrollar un sistema de seguridad de IoT, es importante elegir la solución adecuada para cada paso de la plataforma y el sistema, desde OT hasta TI. Las soluciones de software, como Azure Defender, ofrecen la protección necesaria para todo el sistema.

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