Lo que necesitas saber sobre Internet de las cosas: programa educativo fundamental

Acerca de IoT hoy dice casi de cada hierro ("inteligente"). Además, en tales conversaciones, generalmente se pierden cosas básicas: qué es el Internet de las cosas, en qué consiste y quién puede responder a estas preguntas como "organismos autorizados". Mientras tanto, estos problemas son muy relevantes. Entonces, digamos, tu (hablando de IoT) hierro "inteligente": ¿pertenece al Internet de las cosas? En esta publicación, hablaremos sobre la arquitectura de Internet de las cosas: en qué componentes consiste, qué tecnologías son de particular importancia, qué soluciones pueden simplificar el despliegue masivo y quién está a cargo de IoT en el mundo.

¿Qué es el internet de las cosas?

La compañía de investigación Gartner define IoT como una red de objetos físicos que contienen herramientas para interactuar con el entorno externo y entre ellos, así como para transmitir información sobre su condición y recibir comandos.

McKinsey ofrece una definición menos abstracta: los IoT son sensores y unidades que están integrados en dispositivos físicos y conectados a Internet a través de redes cableadas o inalámbricas.

No solo los fabricantes de dispositivos, sino también organizaciones especializadas participan en el desarrollo de IoT, incluida la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT), el Consorcio de Internet Industrial y el IETF.

En las recomendaciones Y.2060 de la Unión Internacional de Telecomunicaciones , llamada Visión general de Internet de las cosas , Internet de las cosas aparece como "una infraestructura global que proporciona servicios sofisticados al conectar cosas físicas y virtuales basadas en tecnologías de información y comunicación interoperables existentes y en desarrollo". Una cosa en esta definición significa un objeto del mundo físico o virtual que puede identificarse y conectarse a las redes de comunicación. Un dispositivo en el contexto de IoT es un equipo que tiene las capacidades de comunicación necesarias y puede medir, operar bajo ciertas condiciones, ingresar, almacenar y procesar datos.

Tipos de dispositivos IoT y su interacción. Fuente: UIT-T Y.4000 / Y2060

Según lo recomendado por el Sector de Normalización de las Telecomunicaciones de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT-T), IoT es una red de dispositivos estrechamente relacionados con las cosas. El tacto y los actuadores interactúan con cosas físicas en el entorno. Los dispositivos de recolección de datos leen información de cosas físicas o la escriben en cosas físicas, interactuando con dispositivos de transferencia de datos o portadores de datos conectados o conectados a un objeto físico.

En otras palabras, IoT es:

Objetos físicos / virtuales
+
controladores / sensores / actuadores
+
el internet

Por lo tanto, una instancia física de un elemento IoT es un objeto que

• inteligente: tiene un microcontrolador y software para control;
• puede informar o actuar: contiene un sensor para medir cualquier parámetro físico o un actuador cuya operación puede controlarse;
• disponible a través de la red.

Las recomendaciones Y.2060 también contienen el modelo de referencia IoT, que sirve como base para la estandarización. La arquitectura de referencia brinda a los desarrolladores una comprensión de las características que se necesitan en IoT y cómo interactúan.


Modelo de referencia de IoT. Fuente: UIT-T Y.4000 / Y2060

La arquitectura IoT también está siendo desarrollada por el Foro Mundial IoT (IWF). Este es un evento anual en el que participan representantes de empresas, estados y academia. El Comité de Arquitectura de la IWF publicó su versión del Modelo de referencia de IoT en 2014. Complementa bien la opción propuesta por ITU-T, ya que la IWF presta atención no solo a los niveles de dispositivos y la puerta de enlace, sino también a los niveles superiores, que son más importantes para el desarrollo de aplicaciones, middleware y soporte para el Internet industrial de las cosas.


Modelo de referencia de IoT según IWF. Fuente: Cisco

¿Cuáles son los elementos clave de IoT?

El primero son los protocolos. Los protocolos estándar de Internet resultan redundantes para IoT o no proporcionan las características necesarias para los casos en que se requiere un tiempo de respuesta corto y una alta confiabilidad de la red. Además, los procesadores de dispositivos IoT suelen tener un bajo rendimiento para mantener bajo el consumo de energía. Esto requiere el desarrollo de protocolos de red diseñados específicamente para su uso en Internet de las cosas.

Varios grupos de trabajo dentro del IETF y el W3C están involucrados en esto. Por ejemplo, la adaptación de IPv6 para redes host con recursos limitados es manejada por el grupo de trabajo 6lo. Este grupo heredó el desarrollo del grupo 6LoWPAN, que desarrolló métodos para comprimir encabezados de paquetes y optimizar el descubrimiento de vecinos. El grupo 6lo se centra en una gama más amplia de protocolos: Bluetooth Low Energy, ITU-T G.9959, DECT Ultra Low Energy, así como el protocolo MS / TP para redes RS-485.

La lista de otros grupos de trabajo de IETF IoT y lo que hacen se ve así:

• DICE: DTLS en entornos restringidos: perfil TLS / DTLS adecuado para dispositivos con recursos limitados;
• ACE - Autenticación y autorización para entornos restringidos - (RFC
• 7744) - mecanismos de autenticación para acceder a recursos en entornos restringidos;
• COSE - Cifrado y firma de objetos CBOR - Análogos CBOR simplificados
• para métodos de firma y encriptación;
• 6TiSCH - IPv6 sobre el modo TSCH de IEEE 802.15.4e - Implementación de IPv6 para salto de canal con intervalo de tiempo;
• LWIG: Guía de implementación ligera (RFC 7228): terminología general para redes con nodos limitados (CoAP e IKEv2);
• ICNRG - Redes centradas en la información - Aplicabilidad de tecnologías para escenarios de IoT;
• CFRG - Crypto Forum - Métodos de cifrado fundamentales adecuados para IoT.

Una tecnología no menos importante para IoT es la conexión de quinta generación. Implementar muchos escenarios de uso de IoT requiere actualizar las redes de datos a 5G. Las redes de quinta generación pueden reducir la latencia y adaptarse a aplicaciones que involucran conexiones múltiples, ayudar a reducir el consumo de energía y obtener una enorme tasa de transferencia de datos móviles: más de 10 Gb / s. En este caso, el retraso de la señal en 5G se reduce a 1 ms. A modo de comparación, en 4G el retraso es de 10 ms, y en 3G - 100 ms.

Los sensores están en la parte inferior de la pila de tecnología que conforman el modelo de referencia de IoT. Proporcionan la interacción del mundo físico y virtual, recolectando datos analógicos y convirtiéndolos en forma digital. Para transmitir la información recopilada, los sensores se conectan a la red e interactúan con servidores y puertas de enlace mediante los protocolos Bluetooth, NFC, RF, Wi-Fi, LoRaWAN y NB-IoT.


Diferentes tipos de sensores. Fuente: CircuitDigest

Los propios sensores solo registran la cantidad física y convierten el valor medido en un formato digital para enviarlo al microcontrolador, que es la parte "inteligente" del sensor.


Toshiba 32C100U2 IR Sensor Board Sensor infrarrojo

El desarrollo de la tecnología hace que los sensores sean muy compactos. Por ejemplo, el sensor de aceleración BHA250 de 14 bits fabricado por Bosch Sensortec tiene dimensiones 2.2 × 2.1 × 0.95 mm, pero también contiene un microcontrolador de 32 bits.

Finalmente, las plataformas IoT juegan un papel crucial. Según un informe de McKinsey , aproximadamente el 40% del valor económico de IoT está relacionado con la interoperabilidad, es decir, cómo los dispositivos pueden interactuar entre sí. Para revelar todas las ventajas de Internet de las cosas, no solo se necesitan canales de comunicación rápidos y protocolos rentables, sino también la estandarización de todos los niveles de funcionamiento de IoT de acuerdo con los modelos de referencia.

Las plataformas IoT eliminan parcialmente la gravedad de este problema, sin embargo, no hay unidad entre ellas. A mediados de 2017, IoT Analytics ha contado con 450 empresas que ofrecen sus plataformas de IoT. Este número es menor que la lista de dispositivos IoT fabricados en el mundo, pero es más que suficiente para crear problemas de compatibilidad.

¿Qué son las plataformas IoT y por qué son necesarias?

En resumen, se trata de soluciones que proporcionan conectividad unificada entre dispositivos finales IoT y servicios de procesamiento de datos. Y para explicar por qué son importantes, comenzaremos desde lejos.

Un estudio de Cisco encontró que el 75% de los proyectos relacionados con IoT fallan. A la encuesta asistieron más de 1800 ejecutivos de empresas y líderes de TI, el objetivo de la encuesta fue identificar las principales barreras para la introducción de Internet de las cosas en las empresas. Según los resultados del estudio, los principales obstáculos para las organizaciones que desean implementar IoT son los costos y el momento de los proyectos. Otro factor de parada fue el limitado conocimiento experto de los miembros del personal.

Estos problemas pueden eliminarse mediante el uso de soluciones que proporcionan una interacción unificada entre los dispositivos finales de IoT y los servicios de procesamiento de datos, las mismas plataformas de IoT.

Permítanos explicar: si la empresa ya tiene una flota de equipos, al implementar IoT, será necesario conectarlo a la nueva infraestructura. Al mismo tiempo, algunos de los dispositivos "antiguos" pueden cumplir con bastante éxito sus funciones de producción, pero no pueden conectarse a Internet. Reemplazar dicho equipo con IoT compatible incurrirá en grandes costos. Esto aumentará el período de recuperación, ya que tendrá que cancelar máquinas y ensamblajes completamente funcionales.

Pero incluso si el equipo es compatible con IoT, la pregunta sigue siendo qué datos se deben recopilar y utilizar, cómo realizar un análisis en profundidad de la información recopilada y proporcionar comentarios rápidos. Las plataformas de IoT solo proporcionan una integración perfecta de hardware utilizando varios tipos de conexiones, transferencia de datos a dispositivos conectados o entre ellos.

Las plataformas de IoT son ofrecidas por muchas empresas de alta tecnología y TI. El desarrollo de Toshiba para integrar dispositivos y servicios de IoT se llama SPINEX. En el desarrollo de la plataforma SPINEX IoT, la amplia experiencia de Toshiba se utilizó en energía, producción de componentes semiconductores, así como en el campo de Internet de las cosas, inteligencia artificial, reconocimiento de voz y video (es decir, en todo lo que hablamos regularmente en Habr).


Plataforma SPINEX. Fuente: Toshiba

SPINEX proporciona un espacio único para recopilar datos de equipos, dispositivos y productos conectados, almacenamiento, visualización y análisis de datos recopilados. Mediante el uso de una arquitectura abierta, SPINEX puede interactuar con varios proveedores y dispositivos en la nube. La plataforma ofrece a los usuarios tres tecnologías clave:

• Computación periférica: para minimizar la latencia de la red y realizar un procesamiento de datos complejo, SPINEX divide el proceso en dos partes: las operaciones básicas se realizan en tiempo real en dispositivos periféricos y los servidores potentes de la infraestructura de la nube realizan análisis avanzados;
• dobles digitales: SPINEX utiliza inteligencia artificial para construir modelos digitales de objetos reales, lo que le permite monitorear de manera más efectiva los cambios en el entorno y transmitir los comandos necesarios a los dispositivos;
• análisis de medios: la tecnología de análisis de medios de Toshiba se utiliza para identificar con precisión la voz y las imágenes.

En 2016, Toshiba lanzó el paquete estándar IoT del servicio en la nube basado en SPINEX. El servicio es una solución unificada para muchas tareas relacionadas con Internet de las cosas. Le permite implementar rápidamente una red de IoT en la empresa mediante el uso de plantillas para recopilar datos y conectar rápidamente dispositivos a la infraestructura de IoT mediante la tecnología plug-n-play.

¿Qué tan relevante es todo esto y hacia dónde se dirige el mercado de IoT?

A veces parece que el valiente mundo de Internet de las cosas no es más que una imagen fantástica. Esto no es asi. Un informe de Fortune Business Insights indica que el mercado global de Internet de las cosas, valorado en $ 190 mil millones en 2018, alcanzará $ 1.11 billones para 2026, mostrando una tasa de crecimiento combinada de 24.7% por año.


Pronóstico del volumen de mercado de IoT para 2018-2026. Fuente: Fortune Business Insights

Se espera que el segmento de mercado más grande sea el sector bancario y el sector de servicios financieros.

Los analistas de Gartner informan que en 2019 el número de dispositivos IoT alcanzó los 14,2 mil millones. La compañía también predice que para 2025 el número de dispositivos conectados alcanzará los 25 mil millones.


Pronóstico IDC para el crecimiento de la conectividad IoT

Los IDC ofrecen un pronóstico aún más optimista : para 2025, 152.200 dispositivos se conectarán a Internet de las Cosas Internet cada minuto. Multiplicando 152,200 por 525,600 (la cantidad de minutos por año), obtenemos que en 2025 el Internet de las Cosas contendrá aproximadamente 80 mil millones de dispositivos.

Según el estudio de IoT, The Internet of Transformation 2018, publicado por Juniper Research, Norteamérica, Europa occidental, el Lejano Oriente y China siguen siendo mercados clave de IoT. Estas regiones proporcionarán más del 60% de todos los ingresos relacionados con Internet de las cosas.