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El hardware de IoT comprende una amplia variedad de dispositivos, como sensores, puentes y dispositivos de enrutamiento. Estos dispositivos realizan funciones esenciales para la gestión de tareas esenciales como la activación del sistema, la comunicación, la estipulación de acciones, la seguridad y la detección de acciones y objetivos detallados. A continuación, conocerá los dispositivos de hardware de IoT disponibles en MOKOSmart que utilizan tecnología de IoT, los componentes básicos del hardware de IoT, la arquitectura del software de IoT y las plataformas de hardware de IoT más comunes. Además, analizaremos los requisitos esenciales de hardware de IoT para implementar un proyecto de IoT y todo lo relacionado con las placas de desarrollo de microcontroladores, las computadoras monoplaca y los procesadores.
Los componentes básicos del hardware de IoT
En esta sección, analizaremos algunos componentes básicos del hardware de IoT.
Cosa
En el IoT, "objeto" representa el activo que se pretende medir, monitorizar o controlar. La mayoría de los productos del IoT integran plenamente sus dispositivos inteligentes con el "objeto". Por ejemplo, productos como los vehículos automáticos y los refrigeradores inteligentes se monitorizan y controlan a sí mismos exhaustivamente.
En algunas otras aplicaciones donde “la cosa” se utiliza como un dispositivo único, se debe vincular un producto particular para certificar que posee capacidades inteligentes.
Módulo de Adquisición de Datos
Este componente de hardware de IoT se centra en obtener señales físicas del objeto monitoreado u observado. Posteriormente, las convierte en señales digitales que una computadora puede interpretar o manipular fácilmente. Todos los sensores que ayudan a obtener señales del mundo real, como presión, densidad, temperatura, luz, vibración y movimiento, están incluidos en este componente de hardware de IoT. La aplicación determina la cantidad y el tipo de sensores necesarios.
Además, el módulo de adquisición de datos incluye el hardware necesario para convertir las señales del sensor entrante en datos digitales utilizados por el ordenador. Esto implica la adaptación a la señal entrante, su interpretación, la conversión de analógico a digital, el escalado y la minimización del ruido.
Módulo de procesamiento de datos
Comprende la unidad crítica utilizada para procesar datos que ejecutan operaciones como almacenamiento de datos locales, análisis locales y otras operaciones informáticas.
Módulo de comunicación
Este módulo permite una comunicación efectiva entre la Plataforma en la Nube y sistemas de terceros, ya sea en la nube o localmente.
Sensores de hardware de IoT
Los sensores son el elemento más crítico del hardware de IoT. Constan de múltiples módulos, como módulos de gestión de energía, módulos de RF, módulos de detección y módulos de energía. Son ideales para aplicaciones en:
- Proximidad
- Luz ambiental óptica
- Detección de fugas
- Medición de temperatura y humedad.
- magnetismo eléctrico
- Aceleración
- Acústica y vibración
- Identificación de gases químicos
- Desplazamiento
- Presión forzada
de altura
Los datos del IoT no pueden existir sin sensores. Todos los sensores del IoT generan señales eléctricas analógicas proporcionales a un activo físico. Los sensores utilizan convertidores analógico-digitales (ADC) para convertir estas señales analógicas en datos digitales. Además, se pueden medir propiedades eléctricas simples como la corriente, la inductancia, el voltaje, la resistencia y la impedancia mediante sensores.
Además, la dirección y la fuerza de los campos magnéticos y eléctricos se pueden medir utilizando sensores.
Las propiedades no eléctricas que se miden mediante sensores utilizan un transductor para cambiar las propiedades físicas a señales eléctricas analógicas.
Las propiedades físicas más comunes son:
- Parámetros 3D como velocidad, aceleración, desplazamiento y vibración.
- Propiedades ecológicas como la humedad y la temperatura.
- Dinámica de fluidos líquidos como presión, caudal y sonido.
Dispositivos electrónicos portátiles
Se trata de pequeños dispositivos que se llevan en la cabeza, los brazos, el cuello, los pies y el torso. Algunos de los dispositivos electrónicos portátiles disponibles actualmente en el mercado incluyen:
- Gafas inteligentes que se llevan en la cabeza
- Collares que se llevan en el cuello
- Relojes inteligentes que se llevan en el brazo
Las mochilas y algunas otras prendas se llevan en el torso.
Otros dispositivos de hardware de IoT
Usamos dispositivos a diario, como tabletas, teléfonos móviles y ordenadores de escritorio, como partes esenciales de un sistema IoT. Los teléfonos móviles permiten el control remoto funcional y otras configuraciones de modificación integral. El ordenador de escritorio permite al usuario controlar el sistema por completo.
Si bien las tabletas permiten a los usuarios acceder a las funciones clave del sistema y también se utilizan como dispositivos de red remotos y estandarizados, como conmutadores y enrutadores, forman otros dispositivos conectados clave.
Características del dispositivo de hardware IoT
Con la rápida introducción de nuevas plataformas de hardware para IoT industrial, su panorama ha evolucionado constantemente. Los dispositivos IoT comparten características clave que permiten evaluar el hardware y el software utilizados para configurar una nueva red IoT o expandir y desarrollar las redes existentes. Las capacidades esenciales que caracterizan a los dispositivos IoT son:
Conectividad
Todos los dispositivos IoT tienen la conectividad de red como característica distintiva. Cuando los dispositivos IoT se comunican localmente con otros, utilizan servicios basados en la nube para publicar datos. La mayoría de los dispositivos IoT transfieren información de forma inalámbrica, ya sea mediante Baliza Bluetooth, 802.11 (Wi-Fi), redes celulares, RFID o tecnologías LPWAN como SigFox, LoRa o NB-IoT. Todos los dispositivos fijos están equipados con un sistema de comunicación por cable. Estos dispositivos estacionarios se instalan en aplicaciones de control industrial, domótica y edificios inteligentes. Protocolos estándar como la Red de Área del Controlador (CAN) o el Transmisor Receptor Asíncrono Universal (UART) conectan dispositivos mediante comunicación en serie.
Gestión de energía
Los dispositivos portátiles y wearables que dependen en gran medida de fuentes de energía inalámbricas, como células fotovoltaicas y baterías, consideran que la gestión de energía es un factor peligroso. La mayoría de los usuarios a veces ponen sus dispositivos en modo de bajo consumo o en modo de suspensión para ahorrar energía. Esto depende de los patrones de uso del usuario y de las necesidades energéticas de los circuitos integrados (CI), sensores o actuadores involucrados. El consumo de energía del dispositivo aumenta a medida que se incrementan los componentes conectados.
Placas de desarrollo de microcontroladores
Un microcontrolador es un tipo de SoC que procesa datos y puede almacenar grandes cantidades de ellos. Consta de memoria, núcleos de procesador y una memoria de solo lectura programable y borrable (EPROM), que se utiliza para mantener todos los programas personalizados ejecutándose en el microcontrolador. Además, las placas de desarrollo de microcontroladores cuentan con una estructura eléctrica adicional para soportar el microcontrolador, lo que facilita la programación o el prototipado con el chip.
El microcontrolador se conecta a actuadores y sensores mediante un bus de hardware o pines de entrada/salida de propósito general (GPIO) analógicos o digitales. Todos los componentes conectados al bus utilizan protocolos de comunicación estándar como SPI e I²C. El intercambio o la adición de elementos vinculados al bus se facilitan cuando el usuario adopta ciertos estándares.
Computadoras de placa única (SBC)
Son más improvisados que los microcontroladores. Las computadoras de placa única permiten al usuario conectar dispositivos periféricos como pantallas, teclados y ratones. Además, ofrecen mayor potencia de procesamiento y más memoria. Por ejemplo, un microcontrolador tiene un microprocesador de 8 bits a 16 kHz, mientras que las computadoras de placa única tienen un microprocesador ARM de 1.2 bits a 32 GHz.
¿Cuál es la mejor opción entre las placas de desarrollo de microcontroladores y las computadoras de placa única?
Al planificar la compra de una placa de desarrollo de microcontroladores o una computadora de placa única, es fundamental considerar las características principales del dispositivo en relación con los requisitos de su aplicación. Además, considere las siguientes decisiones:
- Establecer la cantidad y tipo de componentes de salida y sensores periféricos esenciales para los circuitos de diseño del componente si es necesario.
- Elija una sola placa o un microcontrolador para controlar y coordinar los componentes de un sistema periférico.
- Seleccione los protocolos esenciales de comunicación de datos que pueda necesitar para la comunicación entre dispositivos. Por ejemplo, para la comunicación entre un microcontrolador y los sensores conectados, utilice un I²C.
- Determinar los protocolos y el hardware de red esenciales para comunicarse con aplicaciones y servicios en la nube.
- Compare la intención de diseño que espera lograr después de avanzar más con el diseño de su panorama de IoT.
- Acceda al software integrado, al prototipo y al diseño del dispositivo, y seleccione las mejores aplicaciones y servicios. Es posible evaluar periódicamente sus prototipos, junto con sus requisitos funcionales y no funcionales, como seguridad, rendimiento y fiabilidad. Después, revise las opciones que considere necesarias.
Requisitos de hardware de IoT para implementar su proyecto de IoT
Los dispositivos IoT operan únicamente en entornos específicos y sus proyectos de hardware difieren considerablemente; por lo tanto, son altamente especializados. Sin embargo, es posible desarrollar y diseñar sus PCB personalizadas y sus componentes, a la medida de los requisitos de su solución IoT, mediante prototipos con hardware genérico disponible. Al implementar su proyecto IoT, es fundamental considerar los siguientes requisitos de hardware:
Requerimientos de seguridad
La seguridad es un componente esencial del Internet de las Cosas (IoT). Considerar los requisitos de seguridad del dispositivo es fundamental en todas las etapas de desarrollo y diseño. Incluso durante el prototipado, es fundamental garantizar la seguridad e integridad de los datos capturados por cualquier dispositivo. Todos los dispositivos IoT, sus redes, las aplicaciones de servicio de sitios web y los dispositivos móviles cumplen con los requisitos de seguridad.
Facilidad de desarrollo
La facilidad de desarrollo es un requisito fundamental al crear prototipos. Permite al usuario poner en funcionamiento el dispositivo IoT de forma rápida y eficiente al capturar datos e interconectarse con otros dispositivos y la nube. Al implementar sus proyectos de IoT, tenga en cuenta la calidad, la accesibilidad y la disponibilidad de la documentación de la API. Además, considere las herramientas de desarrollo y el soporte que ofrece el fabricante del dispositivo o el equipo de desarrollo.
Requisitos de adquisición, procesamiento y almacenamiento de datos
El número de sensores conectados, la resolución de los datos capturados y la frecuencia de muestreo son los principales determinantes del volumen de datos a procesar. También influyen en los requisitos de almacenamiento y procesamiento de datos.
Requisitos de conectividad
Las redes inalámbricas tienen requisitos de conectividad, como el alcance operativo, la distancia recorrida por la señal de transmisión, el volumen de datos y la cantidad de datos transmitidos previstos. Al verificar los requisitos de conectividad del dispositivo, es fundamental considerar la tolerancia a fallos, su capacidad de reconexión y el tiempo que tarda en reintentar enviar datos tras una desconexión.
Requerimientos de energía
Los requisitos de energía se ven afectados principalmente por la velocidad de transmisión de la red y la cantidad de sensores del dispositivo. Por lo tanto, al implementar su proyecto de IoT, es fundamental considerar si el dispositivo necesita una fuente de energía móvil, como un supercondensador, una batería o si está conectado directamente. Además, conozca el tamaño, la capacidad y el peso de la batería, y si se recarga, reemplaza o desecha cuando se agota. Si la batería es recargable, verifique cómo se carga y con qué frecuencia.
Requisitos de diseño de dispositivos físicos
Incluyen el tamaño y la apariencia física del dispositivo de hardware. Al diseñar un dispositivo IoT, es fundamental considerar las condiciones ambientales en las que se instalará. Por ejemplo, ¿será resistente o resistente al agua? Todos los dispositivos instalados en la parte inferior de un camión como parte de una aplicación de monitoreo de flotas deben estar siempre protegidos para garantizar su correcto funcionamiento, incluso en condiciones adversas. El dispositivo debe ser resistente al agua y a los golpes, la suciedad y las vibraciones.
Requisitos de costos
El costo del hardware original y sus componentes, como los sensores, son los principales determinantes de su precio. Otros factores que determinan el costo del hardware incluyen los costos operativos continuos, como el mantenimiento y la energía. Además, es fundamental considerar las tarifas de licencia razonables para las unidades y componentes de algunos dispositivos. Ensamblar placas personalizadas es más costoso que comprar placas de desarrollo comerciales. Es una alternativa más inteligente consagrar dispositivos de hardware al escalar horizontalmente en la red IoT con numerosos instrumentos.
TÉRMICO
Los datos se procesan una vez que los sensores los capturan, antes de enviar los resultados a la nube. Por lo tanto, la cantidad de procesamiento necesario para generar los datos subsiguientes y la complejidad de los sensores determinan el nivel de procesamiento. Por ejemplo, la lectura de temperatura es una simple representación del promedio de valores establecidos o de un único valor de datos a lo largo del tiempo. Además, una cámara de seguridad que no pueda grabar vídeo digital sin que el algoritmo de detección de escenas detecte un evento puede ser más compleja.
En función de la complejidad y la potencia necesarias para procesar datos, se requieren cuatro clases de procesamiento de hardware para IoT. Estas son:
Sistemas basados en PC
Los sistemas basados en PC son plataformas configurables que permiten a los integradores de sistemas crear fácilmente sistemas personalizados a partir de procesadores económicos y comunes, placas base, chasis y fuentes de alimentación estándar. Las amplias capacidades de almacenamiento local de datos se proporcionan principalmente mediante unidades de estado sólido (SSD) o discos duros de terabytes.
Sistemas móviles
Los sistemas móviles incorporan sistemas integrados con un subconjunto especializado optimizado para teléfonos inteligentes y tabletas. Todos los sistemas móviles requieren una carga frecuente, ya que funcionan con baterías. Estos dispositivos, intrínsecamente personales, cuentan con funciones avanzadas de gestión de energía para ahorrar energía y prolongar la duración de la batería. Además, ofrecen capacidades de procesamiento de alto rendimiento.
Sistemas integrados basados en microprocesador (MPU)
Ofrecen una gama completa de opciones con capacidad y rendimiento optimizados para satisfacer las necesidades de productos específicos. Estos requisitos se dirigen principalmente a sistemas de comunicación, electrónica de consumo, controles automotrices e industriales, dispositivos médicos y otras aplicaciones del mercado vertical.
Sistemas integrados basados en microcontroladores (MCU)
Estos sistemas requieren un procesamiento mínimo y ofrecen soluciones de bajo costo. Sin embargo, los microcontroladores son módulos de hardware avanzados específicos para implantes que aceleran el procesamiento de imágenes y funciones de seguridad como la aceleración criptográfica para el intercambio de claves públicas y privadas y la generación de números aleatorios verdaderos (TRNG).
Arquitectura de hardware de IoT
Las unidades de microcontrolador se pueden utilizar para construir la arquitectura de hardware de los dispositivos IoT. Los recursos del chip, las interfaces y la potencia del sistema determinan la elección de una unidad de microcontrolador. Es necesario reunir ciertas características para definir el diseño del hardware IoT. Estas características ayudan a definir el prototipo de hardware IoT perfecto y a determinar el precio del kit de hardware IoT obligatorio. Estas incluyen:
- Tipo de actuadores o sensores
- Tipo de interfaz de comunicación
- Cantidad de datos capturados y transmitidos
- Frecuencia de transporte de datos
Arquitectura de software de IoT
Los componentes de código abierto son la base de la arquitectura de software de IoT. La figura anterior muestra cómo se utiliza comúnmente la arquitectura de IoT en la mayoría de los sistemas. Linux no necesita definir el desarrollo de hardware y software de IoT objetivo; por lo tanto, su uso es más extendido.
Actualmente, la mayoría de las empresas buscan proporcionar marcos de IoT listos para usar en innumerables aplicaciones de IoT detalladas. El protocolo CoAP se utiliza principalmente por ser exclusivo para aplicaciones de IoT. Este protocolo también proporciona un mecanismo estándar que se conecta con dispositivos IoT.
Plataformas comunes de hardware de IoT
Los componentes esenciales de las aplicaciones del Internet de las Cosas son las plataformas de hardware del IoT. Estos dispositivos pueden ayudarte a construir rápidamente tu prototipo o proyecto casero. Algunas de las plataformas de hardware más comunes en los desarrollos del IoT son:
- Raspberry Pi – Raspberry Pi es una placa informática pequeña y económica muy popular entre fanáticos de la tecnología, experimentadores y educadores.
- Arduino (Genuino) – Es una plataforma de creación de prototipos de código abierto basada en software y hardware fáciles de usar.
- ESP8266 – Une un microcontrolador de 160 MHz con puntos de acceso y cliente, pilas TCP/IP completas y front-end Wi-Fi con DNS.
- Intel Edison: esta pequeña plataforma de desarrollo cuenta con un microcontrolador Intel Quark de 32 bytes con una CPU Intel Atom.
- Intel Galileo: esta plataforma de hardware AWS IoT arquitectónica basada en Intel es un paquete de software y hardware de computadora compatible con los pines de los shields de Arduino diseñados para el Uno R3.
- BeagleBone – Este hardware abierto es fácil de ensamblar ya que es una pequeña computadora de software abierto que se puede conectar a todo tipo de elementos disponibles en el hogar.
- Banana Pi: es una computadora de placa única que pretende ser pequeña, barata y lo suficientemente flexible para el uso diario.
- NodeMCU Dev Kit: una placa todo en uno que integra PWM, ADC, 1-Wire, GPIO e IIC, ya que se basa en el chip Wi-Fi ESP8266.
- Flutter – Flutter tiene un procesador ARM de alta velocidad, un chip de seguridad de hardware IoT integrado, baterías de carga integradas y una sólida comunicación inalámbrica de largo alcance.
El código abierto está omnipresente en el hardware de IoT
La mayoría de los desarrolladores de IoT están familiarizados con el uso del código abierto, ya que más del 91 % aplica software, datos o hardware de código abierto en más de un componente de su pila de desarrollo, lo que lo hace más persuasivo. Sin embargo, menos de 2 de cada 10 desarrolladores de IoT dependen principalmente de la tecnología patentada, y es menos probable que adopten la opción de código abierto. El uso de hardware de código abierto para IoT es dominante entre la mayoría de las empresas de hardware de IoT. Esta alta tasa de uso se mantiene independientemente del motivo del desarrollador, ya sea aprendizaje, diversión o dinero.
El código abierto es la nueva estandarización
El uso de soluciones estándar ofrece las mismas mejoras de productividad que el uso de estándares abiertos. Además, la aplicación de estándares públicos en código abierto ayuda a resolver los desafíos de interoperabilidad, un problema crítico en el emergente Internet de las Cosas (IoT). Es fundamental considerar siempre la reducción de los gastos de capacitación del nuevo personal familiarizado con la tecnología de código abierto que se utiliza. Esto es lo que hizo Google al subcontratar su tecnología MapReduce. Las soluciones de código abierto se utilizan principalmente en el ámbito del hardware de Azure IoT.
El código abierto atrae a los desarrolladores
El código abierto despierta un gran entusiasmo entre los desarrolladores, ya que son más receptivos a los valores y estándares que ofrece. Más del 78 % de los desarrolladores de IoT prefieren usar tecnología de código abierto en al menos un campo de desarrollo, siempre que sea posible, en lugar de alternativas superiores a las propietarias. Cuando una empresa opera y avala un código abierto, le indica al desarrollador que cuenta con una tecnología de vanguardia en tres aspectos fundamentales.
- Alinearse con la ética y el espíritu del desarrollador
- Destaca el valor de su solución y el apoyo del desarrollador
- Considera la tecnología de vanguardia
