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Tecnologías Inalámbricas para el Internet de las Cosas

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Mucho se ha hablado del internet de las Cosas en los últimos años, de sus ventajas y beneficios a múltiples sectores, pero realmente se habla poco de cómo implementar de forma práctica esa gran red de sensores y actuadores para al campo, las ciudades y la industria

Estas redes implican retos significativos debido a que entre otras cosas requieren soportar un gran número de dispositivos conectados con muy alta confiabilidad y bajo consumo de recursos. Afortunadamente ya existen tecnologías diseñadas para superar estos retos, y en este artículo compartiré un panorama de estas.

Antes de comenzar, repasemos algunos criterios clave que debemos considerar al evaluar tecnologías para comunicación inalámbrica:

  • Transferencia de datos: Capacidad de transferencia de datos por nodo

  • Bajo consumo de energía: Energía requerida para transmitir o recibir datos

  • Costo: Costo de implementación y renta del servicio  por nodo

  • Alcance: Distancia máxima de conexión entre emisor y receptor.

WiFi

Una de las tecnologías más conocidas y adoptadas. Entre sus principales ventajas está una gran capacidad para transferencia de datos, lo cual permite enviar video, audio y otros archivos de gran tamaño. Existe una gran variedad de módulos, sensores y actuadores que trabajan con esta tecnología y van desde los más económicos que no pasan los 5 dólares como lo son el ESP8266 o el RTL8710 hasta los más completos y como el ArduinoMKR1000.

Una de las grandes desventajas de esta tecnología es el alcance de cobertura. Aunque es posible realizar enlaces punto a punto de varios kilómetros, para redes de sensores donde es necesario tener una conexión multipunto su rango no pasa de los 100 metros, provocando no sea idónea para soluciones donde se requiere un gran cobertura.

Transferencia de datos ✭✭✭✭✭
Bajo consumo de energía ✭✭
Costo ✭✭
Frecuencia de trabajo 2.4 Ghz y 5 Ghz las más comunes
Alcance < 100 m.

Bluetooth Low Energy

La tecnología Bluetooth también es muy conocida debido a que se utiliza en una gran cantidad de dispositivos como teléfonos, audífonos o cámaras. Pero si vamos a utilizar Bluetooth para IoT debemos hablar de la versión 4.0 o BLE (Bluetooth Low Energy), especialmente creada para wearables y todo dispositivo que requiere estar enviando información de manera constante pero requiere minimizar el consumo de energía ya que típicamente son dispositivos que operan en base a baterías.

BLE provee tasas de transferencia de datos de poco menos de 1 Mbps, lo cual lo pone en un rango medio. Una característica muy especial de BLE es el modo beacon que permite rastrear otros dispositivos BLE y que funciona muy bien en interiores.

Entre los dispositivos más comunes para construir soluciones con BLE están las familias nRF51 y nRF52 de Nordic Semiconductor, así como la serie ESP32 de Espressif.

Transferencia de datos ✭✭✭
Costo ✭✭✭
Frecuencia de trabajo 2.4 Ghz
Alcance < 100 m.

4G

La red de telefonía celular también puede ser una opción para soluciones IoT. Sus grandes ventajas son la gran cobertura con múltiples proveedores, y muy buen ancho de banda (~1Gbps).

Su gran punto débil es el costo, ya que requiere usar un plan de datos con un proveedor celular (existen planes específicos para IoT). Adicionalmente, el consumo de energía necesario es mayor que el de otras opciones listadas. Adicionalmente, es una tecnología que eventualmente será reemplazada por 5G, cuyas características son más adecuadas para IoT.

Uno de los dispositivos recomendables para iniciar de manera sencilla con esta tecnología son es el LE910 de Telit.

Transferencia de datos ✭✭✭✭
Bajo consumo de energía ✭✭✭
Costo ✭✭✭✭
Frecuencia de trabajo 1,700-2,100 Mhz
Alcance < 10 km.

 
LoRa

LoRa es una tecnología de tipo Low-Power Wide-Area Network (LPWAN) que aún no hemos visto mucho en latinoamérica y que apenas se está abriendo paso. Sus fortalezas son bajo consumo de energía y largo alcance, con un rango de aproximadamente 20Km de cobertura por antena es ideal para construir redes públicas o privadas para esas ciudades inteligentes de las que tanto se habla.

Un punto débil de LoRa podría ser su baja transferencia de datos (~50 Kbps). Así que si lo que queremos enviar es audio o video no sería viable, pero para datos ligeros —que es lo que típicamente se requiere en escenarios IoT— es una gran opción.

En ocasiones te encontrarás con el término LoRaWAN en lugar de LoRa. La diferencia es que LoRa es la tecnología de bajo nivel que habilita el enlace, mientras que LoRaWAN es el protocolo de comunicación y arquitectura para la red.

Los dispositivos disponibles para iniciar de una manera sencilla con esta tecnología son: RFM95, RN2903A, Feather Adafruit RFM95, Arduino LoRa Node y Arduino LoRa gateway.

Transferencia de datos ✭✭✭
Bajo consumo de energía ✭✭✭✭✭
Costo ✭✭
Frecuencia de trabajo 915 América, 868 Europa
Alcance < 20 km.

SigFox

SigFox es otra tecnología de tipo LPWAN. Aunque existen algunas diferencias técnicas respecto a LoRa, el enfoque general es similar: comunicación a gran distancia de datos ligeros con bajo consumo de energía. La diferencia respecto a LoRa es principalmente en cuanto a su modelo de negocio. En el caso de SigFox, la red es operada por un proveedor/carrier y uno simplemente conecta sus dispositivos a esta red, similar a lo que sucede en la red celular. Esto puede ser una ventaja si la zona donde estás ya tiene cobertura, pero una desventaja en caso de no ser así. En cambio, LoRa permite que cualquiera pueda crear una red privada y no depende de un carrier.

Entre los dispositivos disponibles para iniciar de una manera sencilla con esta tecnología destaca el Arduino MKRFox1200, que básicamente es un MKR1000 con conectividad a la red Sigfox.

Transferencia de datos ✭✭
Bajo consumo de energía ✭✭✭✭✭
Costo ✭✭
Frecuencia de trabajo 915 América, 868 Europa
Alcance Hasta 15 km.

5G

5G es la siguiente generación de redes de comunicación móvil. Ofrecerá mejoras significativas en latencia y ancho de banda respecto a 4G, habilitando escenarios de comunicación con grandes cantidades de datos en tiempo real. De hecho, uno de los escenarios de uso que se contempla que soporten las redes 5G es la conectividad de automóviles autónomos.

La tecnología ya está siendo piloteada en algunos lugares, y se espera que esté disponible al público en general a partir del 2020. Los operadores de telefonía en EUA prometen precios muy bajos para aplicaciones de IoT. Habrá que ver qué opciones ofrecen en México.

Transferencia de datos ✭✭✭✭✭
Bajo consumo de energía ✭✭✭
Costo ✭✭✭
Frecuencia de trabajo 3 a 30 GHz
Alcance Hasta 1 km.

 

Conclusión

En este artículo conocimos las principales tecnologías utilizadas para comunicar dispositivos en soluciones IoT. Espero que esta información te sea de ayuda para entender qué tecnología sea adecúa mejor a las necesidades de tu próximo proyecto IoT.

Bio

Andres Sabas (@sabasacustico) es Director de Electronic Cats. Es un maker apasionado y cofundador de The Inventor’s House Hackerspace en Aguascalientes.