Fundamentos y Arquitectura del Internet de las Cosas (IoT): Nodos, Redes y Energía

Conceptos Fundamentales del IoT

• Internet de las Cosas (IoT): Red global que conecta objetos inteligentes.
• Objeto Inteligente (Smart Object): No necesita ser inherentemente “inteligente”, solo debe interconectarse y compartir datos.
• Sensores: Fuente de datos.
• Actuadores: Destino o elemento de acción.
• Cloud Computing: Modelo de toma de decisiones jerárquicas (centralizado).
• Fog Computing: Modelo donde los nodos toman decisiones distribuidas entre ellos (descentralizado).

Redes y Topologías IoT

Tipos de Redes

• Tipos de Conexión: Multisalto, un solo salto, uso de gateways.
• Topologías Comunes: Malla (Mesh), Estrella, Árbol.

Desafíos Comunes

• Protocolos: MAC (Control de Acceso al Medio), Enrutamiento.
• Operacionales: Movilidad, Consumo energético, Regulación.

Características Clave de los Nodos IoT

Limitaciones Operacionales

• Bajo Consumo: Dependencia de batería y optimización del Duty Cycle.
• Baja Capacidad: Restricciones en procesamiento y almacenamiento.
• Sincronización: Compleja debido a la imprecisión del reloj interno.

Requisitos de Diseño

• Deben ser: Robustos, Auto-organizables, Seguros y Localizables.

Arquitectura y Actores del Ecosistema IoT

• Actores Principales: Proveedores Cloud, Redes, Nodos (Dispositivos), Middleware, Consultoras y Desarrolladores.
• Multivisión: Cada actor tiene una perspectiva parcial del sistema total.

Aplicaciones Sectoriales del Internet de las Cosas

• Transporte: Seguimiento de flotas, trazabilidad de mercancías, monitoreo de vías férreas.
• Salud: Monitoreo de pacientes, detección de gases, gestión de personal.
• Industria (IIoT): Monitoreo predictivo de fallas, gestión energética, optimización logística.
• Agricultura Inteligente: Control de riego, dosificación de fertilizantes, seguimiento de ganado.
• Medio Ambiente: Monitoreo de glaciares, detección temprana de incendios, alerta de sismos.
• Hogar Inteligente: Control de consumo eléctrico, sistemas de seguridad (cámaras), seguimiento de mascotas.

Hardware del Nodo IoT

Componentes Esenciales

• Elementos: Memoria, Controlador, Sensores/Actuadores, Módulo de Comunicación, Fuente de Alimentación.

Controladores y Procesadores

• Tipos: CISC, RISC, DSP, FPGA, ASIC.
• Ejemplos de Nodos Comunes: ESP32, OpenMote, Adafruit Feather.

Comunicaciones Inalámbricas (Radios)

• Frecuencias Típicas: 433 MHz, 2.4 GHz.
• Parámetros Clave: Modulación, Ganancia, Sensibilidad.

Gestión Energética y Eficiencia en Nodos

• Duty Cycle: Alternancia entre estados Activo, Idle y Sleep para ahorrar energía.
• Escalamiento Dinámico de Voltaje (DVS): Técnica de ahorro basada en la relación $P \propto fV^2$.
• Relación Instrucción/Bit: Generalmente, procesar datos localmente es más eficiente que transmitirlos.
• Ejemplo de Costo: Transmitir 1 KB puede equivaler al consumo de aproximadamente 3 millones de instrucciones de procesamiento.
• Etx y Erx: Consumo energético en Transmisión (Tx) y Recepción (Rx), incluyendo el arranque, codificación y electrónica asociada.

Estrategias de Uso y Procesamiento de Datos en IoT

Formas de Utilización de Datos

• Envío periódico de información.
• Detección de eventos o procesamiento en el borde (Edge Computing).
• Agregación y seguimiento de objetos.
• Preprocesamiento local para reducir la carga de transmisión.
• Consultas y análisis en tiempo real.

Mantenimiento y Desafíos de Escalabilidad

Mantenimiento y Gestión de Fallas

• Fallas: Evaluación de la capacidad de reemplazo de baterías y la detección proactiva de fallas.

Desafíos de Escalabilidad

• Aspectos Clave: Direccionamiento eficiente, gestión de recursos limitados y coexistencia de múltiples redes.