Ingeniería
y sus Alcances,
Revista de Investigación
https://doi.org/10.33996/revistaingenieria.v6i15.96
mayo-agosto 2022
Volumen 6 / No. 15
ISSN: 2664 – 8245
ISSN-L: 2664 - 8245
www.revistaingenieria.org
pp. 156 – 161
Análisis y funcionabilidad de sistemas IOT basados en
prototipos y módulos comerciales
Analysis and
functionality of IOT systems based on prototypes and commercial modules
Análise e funcionalidade de sistemas IOT baseados em protótipos e módulos comerciais
Paul Bonilla Agualongo
paulbonilla@tsachila.edu.ec
https://orcid.org/0000-0003-1978-3079
Freddy Núñez
freddynunez@tsachila.edu.ec
https://orcid.org/0000-0001-8570-2471
Darwin Manitio Lignia
darwinmanitio@tsachila.com
https://orcid.org/0000-0003-2452-6325
Instituto
Superior Tecnológico Tsà-Chila, Santo Domingo, Ecuador
Artículo recibido el 27 de marzo 2022 /
Aceptado el 2 de abril 2022 / Publicado el 7 de mayo 2022
RESUMEN
Internet de las cosas (IOT) es una tecnología
emergente con un crecimiento y un impacto muy importante para la industria en
procesos de telemetría. En el presente trabajo se realizó un análisis
comparativo de: arquitectura, entorno de programación, escalabilidad, seguridad
y servicios disponibles en la nube, de prototipos y equipos certificados
describiendo ventajas y desventajas, para lo cual se desarrollaron tres
sistemas para ser evaluados y a partir de estos se identifican las
problemáticas y posibles mejoras. Independientemente de las limitaciones de
hardware y software, los tres sistemas registran la información de manera
similar, tienen autonomía energética y respaldo de datos de manera local con
dispositivos externos o incorporados, la diferencia de costo es significativa,
sin embargo, en la actualidad la tecnología IOT es más accesible y con las
mejoras adecuadas se puede conseguir rendimientos y vida útil similar a un
sistema comercial.
Palabras clave: IOT; Estación Meteorológica; Domótica; Telemetría; Servidor Virtual
ABSTRACT
Internet of Things (IOT) is an emerging technology with a very important
growth and impact for the industry in telemetry processes. In this work, a
comparative analysis of: architecture, programming environment, scalability,
security and services available in the cloud, prototypes and certified
equipment was carried out, describing advantages and disadvantages, for which
three systems were developed to be evaluated and from these the problems and
possible improvements are identified. Regardless of the hardware and software
limitations, the three systems record information in a similar way, have energy
autonomy and data backup locally with external or built-in devices, the cost
difference is significant, however, at present the IOT technology is more
accessible and with appropriate improvements can achieve performance and life
similar to a commercial system.
Key words: IOT; Weather Station; Domotics;
Telemetry; Virtual Server
RESUMO
A Internet das Coisas (IoT) é uma tecnologia emergente com um crescimento e
impacto muito importante para a indústria em processos de telemetria. Neste documento,
uma análise comparativa de: arquitetura, ambiente de programação,
escalabilidade, segurança e serviços disponíveis na nuvem, protótipos e
equipamentos certificados descrevendo vantagens e desvantagens, para os quais
três sistemas foram desenvolvidos para serem avaliados e a partir destes
problemas e possíveis melhorias são identificados. Independentemente das
limitações de hardware e software, os três sistemas registram informações de
forma semelhante, têm autonomia energética e backup de dados localmente com
dispositivos externos ou embutidos, a diferença de custo é significativa,
porém, atualmente a tecnologia IOT é mais acessível e com melhorias apropriadas
pode alcançar desempenho e vida útil semelhantes a um sistema
comercial.
Palavras-chave: IOT; Estação Meteorológica; Domótica;
Telemetria; Servidor virtual
INTRODUCCIÓN
El Internet de
las cosas ha revolucionado la vida como se conoce, el continuo flujo de
información permite realizar un análisis de varios sistemas o procesos, por
ende, mejorar la eficiencia y ahorrar recursos (Flores, y Cossio,
2021). En la actualidad existen varios dispositivos y fabricantes que
desarrollan sistemas IOT, dependiendo de la seguridad, funcionabilidad, calidad
y escalabilidad su costo puede variar (Laverde, 2021). Ante la gran variedad de
opciones es importante analizar y valorar el sistema IOT adecuado para el
proceso. Se realizó un análisis comparativo entre prototipos y equipos
certificados que utilizan tecnología IOT. Los sistemas certificados presentan
múltiples beneficios, pero su costo puede ser muy elevado. Al desarrollar un
sistema o prototipo son más económicos ya que están basados en software y
hardware libre, el desarrollador puede ampliar el sistema ya que conoce la
arquitectura a detalle.
MÉTODO
La
investigación se desarrolló en las siguientes fases expuestas a continuación:
(i) recopilación de información documental (ii) análisis del desempeño de los
prototipos y equipos certificados (iii) elaboración del documento final.
En la primera
fase se realizó la búsqueda y levantamiento de la información pertinente a las
tecnologías utilizadas, mediante documentos digitales, artículos académicos y
foros con la finalidad de poder realizar el estudio y un análisis comparativo
entre prototipos y equipos certificados que utilizan tecnología IOT para
procesos de telemetría.
La segunda fase
se enfocó en la evaluación del desempeño de los sistemas prototipos y equipos
certificados: el primer sistema es una estación meteorológica desarrollada en
la tarjeta ESP8266 con el servidor 000webhosting (Üçgün
y Kaplan, 2017), el segundo sistema es un prototipo de control enfocado a
domótica mediante la tarjeta ESP8266 y trabaja con Arduino
Cloud (Rout y Mallic,
2018), el tercero es un sistema de telemetría para variables hidrológicas
mediante equipos Campbell y la plataforma Oracle Cloud (Sakphrom
y Korkua, 2019).
Se desprende un
análisis en base a los siguientes indicadores: funcionalidad, costo, tecnología
de transmisión, durabilidad, hardware y autonomía, a partir de estos se
identifican las problemáticas y mejoras a las que están sometidos en los
entornos de trabajo. En la fase final se redactó toda la información
recopilada, en los diferentes apartados de este artículo.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Los sistemas
IOT mostrados en el apartado anterior han sido probados por varios meses
obteniendo similar funcionalidad, sin embargo, son varios parámetros
específicos que definen la mejor opción al momento de realizar una
implementación. A continuación, se presenta el análisis de cada plataforma en
base a los siguientes parámetros: Arquitectura, entorno de programación,
escalabilidad, seguridad y servidores cloud usados.
Arquitectura
La diferencia
en el costo es significativa, lo anterior responde a la naturaleza de un sistema
IOT comercial (ver Tabla 1). En la actualidad, existen servicios, plataformas y
hardware económicamente más accesibles.
Tabla 1. Análisis comparativo entre características
físicas y costos de las plataformas IOT usadas.
|
Plataforma |
Características |
Costo |
|
Esp8266 (prototipos) |
Tiene pines digitales y analógicos, trabaja
con protocolos I2C, SPI y UART. Es de software y hardware Libre. |
$10 |
|
Data logger CR1000
Campbell(Sistema Comercial) |
Comunicación RS232 y un puerto de expansión
para módulos de comunicación con soporte a otros protocolos como ethernet y 3G. |
$2,000 |
Entorno de programación
Existe una
comunidad de programadores a nivel mundial que comparten sus experiencias y
conocimientos que fortalecen el desarrollo de sistemas y procesos. Los entornos
de programación comerciales en sus versiones demo, tienen varias limitaciones.
Si se requiere la solución a un problema específico se debe pagar por el
soporte y la licencia del software (Leon et al.,
2021), (Zarzosa et al., 2020). Sin embargo, las interfaces y aplicativos son
más amigables y tienen menos errores al momento de compilar, algunos
proporcionan asistentes de programación (ver Tabla 2).
Tabla 2. Análisis de los entornos de programación usados
y el soporte disponible.
|
Plataforma |
Características |
Soporte |
|
Esp8266 (prototipos) |
Se usa Arduino IDE,
software libre. |
Soportado por la comunidad de software libre,
información abundante en foros, soporte descentralizado. |
|
Data logger CR1000
Campbell (Sistema Comercial) |
Software privativo Loggernet,
programación en bloques y mediante líneas de código basado en lenguaje C. |
Soportado por la empresa, muy poca información
en foros. Se requieren capacitaciones especializadas por el fabricante |
Escalabilidad
Los
dispositivos comerciales proporcionan conexiones dedicadas y exclusivas del
fabricante, los módulos de expansión son detectados automáticamente y están
listos para usar con pocas líneas dedicadas. Los protocolos de comunicación
usados son privativos. Los prototipos usan protocolos de código abierto, lo que
permite que sean más universales y usar dispositivos de cualquier fabricante
(ver Tabla 3) (Yoppy et al., 2018).
Tabla 3. Análisis de las formas de conexión disponibles
para periféricos externos.
|
Plataforma |
Características |
Protocolos de Comunicación |
|
Esp8266 (prototipos) |
Presentan sensores, actuadores y dispositivos
que se comunican de forma analógica, digital y por varios protocolos de
comunicación. |
I2C, SPI, UART |
|
Data logger CR1000
Campbell (Sistema Comercial) |
Plug and Play con conexiones dedicadas, el
periférico es detectado automáticamente y se hace uso con pocas líneas de
código. |
Privativos, no se tiene información del
fabricante |
Seguridad
Al ser un
prototipo, es necesario analizar y prevenir los diferentes elementos que pueden
deteriorar al sistema (Suyetno et al., 2021). Basados
en el método prueba – error, se crean protecciones que garanticen el correcto
funcionamiento. Los sistemas de protección y seguridad que ofrecen los
dispositivos comerciales justifican el costo, el instalador conecta con la
seguridad de que el sistema funcionará con márgenes mínimos de error (ver Tabla
4). Los acondicionamientos de señal vienen ya establecidos para las conexiones
de los sensores.
Tabla 4. Análisis de seguridad y durabilidad de las
plataformas analizadas.
|
Plataforma |
Características |
|
Esp8266 (prototipos) |
El sistema está en etapa de prueba, el
diseñador toma las debidas precauciones al someter el prototipo a diferentes
ambientes de trabajo (prueba error) |
|
Data logger CR1000
Campbell (Sistema Comercial) |
Los dispositivos son probados bajo pruebas
extremas de funcionamiento antes de salir al mercado y cumplen con normativas
requeridas. Poseen diversos sistemas de seguridad y protección. |
Servidores
Los
dispositivos comerciales proporcionan conexiones dedicadas y exclusivas del
fabricante, los módulos de expansión son detectados automáticamente y están
listos para usar con pocas líneas dedicadas (Elbahri
et al., 2019). Los protocolos de comunicación usados son privativos. Oracle
Cloud permite tercerizar los procesos tecnológicos y
tener topologías virtuales administradas vía remota. El costo es de $47 por
instancia aproximadamente y se puede acceder a servicios de seguridad como
firewalls y UTMs (ver Tabla 5).
Tabla 5. Análisis de los servicios cloud
usados para almacenamiento y presentación de datos.
|
Servidores |
Características |
Costo |
|
Esp8266 (prototipos) |
Arduino IOT cloud es una plataforma que permite
crear proyectos IOT, con una interfaz amigable para la configuración,
escritura de código, carga y visualización de información. |
Arduino IOT 10$ 000webhosting 10$ al mes |
|
Oracle Cloud |
Plataforma de Cloud Computing que ofrece la
posibilidad de emular topologías con servidores, equipos clientes,
dispositivos de red, firewalls, etc. Se puede gestionar parámetros de
redirección de puertos, servicios y seguridad informática. Administración vía
SSH o escritorio remoto a través de una IP pública. |
$47 por instancia y por mes. |
Discusión
El crecimiento
exponencial de IOT obliga a los proveedores a crear o desarrollar herramientas
más amigables y económicas, los prototipos pueden funcionar de forma similar a
un sistema comercial, sin embargo, requiere tiempo y recursos para realizar las
mejoras y las pruebas de rutina para conseguir los estándares de calidad
requeridos. El principal inconveniente de IOT es la seguridad, debido a que los
datos viajan a través de una red pública que de alguna forma proporciona vulnerabilidad
a ataques; se pueden usar técnicas de encriptación y cifrado para mitigar este
problema, pero aumenta la latencia. La adquisición de datos no puede ser en
tiempo real debido a que las redes de datos transportan varios tipos de tráfico
y en diferentes prioridades. La infraestructura tecnológica ya no es un
limitante en la actualidad debido a que se puede virtualizar
y los usuarios ya no requieren comprar equipos costosos que requieren
mantenimiento y son objeto de la obsolescencia.
CONCLUSIÓN
Se analizan
diferentes sistemas comerciales y de prototipado para
aplicaciones IOT. Se toma en cuenta las características de hardware y software
y sus posibles limitaciones. En el mercado existe una amplia gama de
dispositivos y plataformas, generando una incertidumbre en la selección del
equipo correcto.
Se comparó los
sistemas prototipados y comerciales de acuerdo a los
parámetros de: arquitectura, entornos de programación, escalabilidad, seguridad
y plataformas donde se aloja el servidor encontrando que los dos cuentan con
características similares que pueden ser agregadas en función a la necesidad
del caso.
Los tres
sistemas poseen ventajas e inconvenientes las cuales se presentan a
continuación. Los sistemas prototipados ofrecen una
opción flexible, de bajo costo y con abundante información por parte de la
comunidad para la configuración y soporte, sin embargo, para agregarle
seguridad y confiabilidad se requiere aplicar un método de mejora continúa basado en prueba–error en la normativa. Los
sistemas comerciales tienen soporte dedicado, interfaces amigables y asistentes
de programación, pero son plataformas rígidas, alto costo y privativas, el
administrador requiere capacitación exclusiva lo que incrementa el gasto.
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Conflicto de Intereses. Los autores declaran que no existe conflicto de intereses para la
publicación del presente artículo científico.