Estándares de comunicación
Interconexión de dispositivos
Desarrollo de aplicaciones
Sensores y actuadores
Este paradigma provee los medios, al permitir la obtención de datos a partir de billones de dispositivos que pueden sensar, enviar y tomar decisiones, para la problemática identificada en la logística actual de productos frescos en Colombia. A partir del estado de variables, se pueden generar registros estructurados, no estructurados o semi-estructurados, que tienen el potencial de generar cambios a partir de la información y conocimiento que se pueda obtener al procesar los datos. (Perera et al., 2014) mencionan el reto que representa lograr lo anterior debido la heterogeneidad y descubrimiento de los sensores, por lo que proponen soluciones como la creación de un middleware que permita que la conexión entre los sensores y la nube se haga de manera transparente.
a. Protocolos
Para la comunicación entre los nodos de la red y los periféricos y/o sensores se requieren protocolos ligeros, eficientes encuanto a uso de recursos como batería, CPU, ancho de banda, entre otros. Producto de la revisión bibliográfica se identifican algunas tecnologías como candidatas para ser implementadas. Las tecnologías de comunicación representan los canales mediante los cuales las cosas se pueden comunicar y así permitir la conexión de dispositivos heterogéneos para la creación de servicios. El propósito de los estándares es facilitar y simplificar la integración entre las aplicaciones, los servicios y demás componentes que hagan parte de una solución tecnológica. IoT no es la excepción: organizaciones como la W3C, IETF, EPCGlobal, IEEE y la ETSI, entre otras, han propendido por esto (Al-Fuqaha et al., 2015). En la Figura 2 se presenta un resumen de los protocolos más utilizados, basados en el stack TCP/IP.
Los estudios de (Karagiannis et al., 2015) realizan un diagnóstico y evaluación de los protocolos más utilizados por IoT, junto con sus principales diferencias (ver la tabla 1) puntualmente de la capa de aplicación del modelo de referencia OSI. Esta evaluación fue motivada por “el hecho de que una arquitectura unificada de IoT no ha sido aun claramente definida y no hay acuerdo común en la definición de protocolos y estándares para todas las partes del IoT". Con el anterior estudio de protocolos, se puede evaluar cuáles son los adecuados para esta implementación, según el resultado del levantamiento de requerimientos.
b. Computación
Tal como lo menciona (Al-Fuqaha et al., 2015), la capacidad de cómputo representa el cerebro de las cosas, al proveer capacidad de procesamiento y almacenamiento. A continuación, se listan algunas de las alternativas comerciales más populares y que son comúnmente utilizados para desarrollos de productos IoT. La capacidad de cómputo es importante en entornos donde los canales de acceso a la nube son deficientes, debido a la falta de cobertura de redes de datos.
]]> Como modelo de representación, (Pang et al., 2015) sugieren la utilización de una arquitectura de 3 capas, basada en IoT, para la gestión de la cadena de suministro en la que se presenta también una división a nivel de procesos (ver figura 5). De igual manera, (Al-Fuqaha et al., 2015) mencionan algunas otras arquitecturas emergentes (ver figura 3), en donde se pueden apreciar las capas de percepción, redes y aplicación de la arquitectura de 3 capas, que se seleccionó como modelo para esta solución tecnológica. En el modelo de representación propuesto, se evidencia una de las principales características de IoT, en la que cada objeto físico tiene una representación virtual a través de una adecuada infraestructura de red y de cómputo que la soporte, tal como se puede ver en la Figura 5.
Construcción del prototipo de arquitectura
Mediante la implementación de un conjunto de nodos, se realiza la captura de datos, transmisión, procesamiento y posterior presentación según su contexto, ya que el procesamiento se podría dar previamente a la transmisión. Se utiliza como referencia la Figura 6 y se sigue un enfoque de IoT EDGE o Internet de las Cosas en el borde. A continuación, se describe la tipología de los nodos desarrollados según los lineamientos de la arquitectura propuesta y la capa en la que se encuentran.
Tipologías de nodos
La figura 6 hace referencia a los protocolos e interfaces utilizados por los nodos IoT. Los nodos EDGE Gateway requieren el uso de interfaces definidas bajo el estándar IEEE 802.15.4, ya que proveen la definición a nivel físico, al mencionar aspectos de señalización, codificación, voltajes. También provee control del acceso al medio direccionamiento a nivel de capa MAC2 y LLC3. Esto habilita el tráfico sobre IP para los protocolos de aplicación MQTT y REST utilizados para el envío de datos capturados por los nodos IoT hacia la nube. Como SBC (en inglés, Single Board Computers) se ha seleccionado la referencia Raspberry PI 3 (ver Figura 7) porque representa la alternativa comercial más atractiva de procesamiento y almacenamiento en dispositivos embebidos, por su fácil adquisición, comercialización, configuración y mayor compatibilidad en el mercado. Esta referencia soporta los protocolos UART, i2c y onewire, utilizados por los módulos GPS, NFC + ADXL345 y DHT22 respectivamente.
En la primera capa (sistemas embebidos y sensores), el dispositivo Raspberry sensa de manera digital las lecturas de las variables a través de un conjunto de sensores instalados para la captura de datos crudos o raw data que servirán como insumo para los diferentes servicios proveídos por la solución tecnológica en la nube. Siguiendo el enfoque de IoT EDGE, se realiza la configuración de los protocolos de aplicación para la conexión entre el dispositivo y los servicios AWS, CARTO y PUBNUB, dado que node-red soporta el stack REST-full, utilizado por el dispositivo para el envío de registros con una frecuencia ajustable en formato json el cual contiene las lecturas de toda la sensórica. El dispositivo, también provee una página web4 para acceder desde una tablet o Smartphone que haga la función de estación base de una red wifi para el dispositivo Edge Device. Sobre la capa de sensado actúan en conjunto los siguientes componentes:
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EDGE SENSOR Y ACTUADOR: Comprende dispositivos de propósito especial o particular, no soportan la ejecución de sistema operativo. Pueden ser:
EDGE DEVICES: Es un dispositivo de propósito general que soporta sistemas operativos para dispositivos embebidos. En cuanto a la fuente poder, no es de gran autonomía debido a su alta movilidad. Toma decisiones a partir de los cálculos que realiza sobre los datos de entrada tomados de los sensores, puede ejecutar comandos sobre los actuadores.
Ambientales
Sensor de humedad y temperatura - DHT22
Acelerómetro y giroscopio - ADXL345
Georreferenciación
Módulo de GPS - Adafruit Fona SIM808 ]]>
Comunicaciones
Conexión a redes wifi - Adaptador 801.11
Conexión a redes GSM - Adafruit Fona SIM808
Autenticación
NFC - SL030
El rol de gateway o puerta de enlace para el modelo de arquitectura es asumido por cualquier dispositivo que permita la opción de creación de puntos de anclaje WiFi y que, por medio del respectivo ISP, le dé al nodo salida a internet. Dada la heterogeneidad, amplitud y profundidad de la arquitectura propuesta algunos nodos, dependiendo de la disponibilidad de redes de telefonía celular, tendrán la capacidad de hacer uso de módulos GSM para el envío y recepción de datos en Internet sin depender de otros nodos. En la figura 8 se puede apreciar la topología de red compatible con la presente solución tecnológica. Esta topología hace uso de diferentes mecanismos de conexión a la red, partiendo desde WiFi, redes de telefonía celular hasta enlaces satelitales con el propósito de alcanzar los servicios alojados en la nube.
]]> C. Capa Cloud
Esta capa provee los microservicios del DSS, aprovisionado sobre infraestructura de Amazon, la visualización y generación de indicadores en la plataforma CARTO y la generación de dashboard o tablero de control. Están orientados a la localización en PUBNUB-eon, conectado a Mapbox por medio de un esquema de publicación y suscripción similar al utilizado por MQTT, tal como se puede apreciar en la Figura 9. De forma experimental se usa la herramienta IniaitalState para construir un histórico de registros sobre línea de tiempo. A los microservicios creados por estas plataformas acceden los EDGE devices de la capa de sensado para el envío de los registros almacenados en sus memorias locales, aprovechando las capacidades de almacenamiento y procesamiento de estos nodos.
CONCLUSIONES
En la Figura 10 se pueden apreciar algunas vistas de las interfaces de usuario, tanto de la aplicación en la nube como del servicio de página web publicado por el EDGE DEVICE, (ver subsección 6.2), desde el cual el usuario transportista se puede conectar para visualizar el estado de las diferentes variables monitoreadas por los nodos. Las conclusiones listadas a continuación son resultado directo de los procesos de visualización y generación de analíticas de los servicios web mencionados en la sección 6.4.
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El sistema tiene la capacidad de recuperar la historia del producto, desde la puerta de la finca hasta la llegada al centro de acopio mayorista. En términos de autonomía, realizados varios recorridos, se encuentra en aproximadamente 24 horas con una batería de 10400 mAh. Las pruebas encuentran que el dispositivo tiene capacidad de operación en modo offline, que compara las horas de captura de los datos en los nodos con la hora de registro en el aplicativo en la nube.
- ]]> Del prototipo desarrollado y aplicado se concluye que la arquitectura de trazabilidad es una alternativa apropiada para convertirse en una tecnología habilitante al permitir la recuperación de la historia del proceso, paralelamente a la gestión de la cadena de suministro. También se encuentra la correlación que existe entre los altos niveles de golpeteo registrados por el acelerómetro y giroscopio en las vías secundarias y terciarias, al igual que bajas velocidades en estos tramos.
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En términos de temperatura y humedad, existe una alta correlación entre los datos de temperatura y humedad en el microclima de la carrocería y el exterior, posiblemente porque se trata de carrocerías tipo estacas. En algunos momentos se registran valores de temperatura que están por fuera de los rangos recomendados.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[Ahumada and Villalobos, 2011] Ahumada, O. and Villalobos, J. R. (2011). A tactical model for planning the production and distribution of fresh produce. Ann Oper Res, 190:339-358.
[Al-Fuqaha et al., 2015] Al-Fuqaha, A., Guizani, M., Mohammadi, M., Aledhari, M., and Ayyash, M. (2015). Internet of Things: A Survey on Enabling Technologies, Protocols, and Applications. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 17(4):2347-2376.
]]>[Karagiannis et al., 2015] Karagiannis, V., Chatzimisios, P., Vazquez- Gallego, F., and Alonso-Zarate, J. (2015). A Survey on Application Layer Protocols for the Internet of Things. Transaction on IoT and Cloud Computing.
[Orjuela-Castro et al., 2017] Orjuela-Castro, J. A., Herrera-Ramírez, M. M., and Adarme-Jaimes, W. (2017). Warehousing and transpor- tation logistics of mango in Colombia: A system dynamics model. Revista Facultad de Ingeniería (Rev. Fac. Ing. Enero-Abril, 26(44):71-84.
]]> [Pang et al., 2015] Pang, Z., Chen, Q., Han, W., and Zheng, L. (2015). Value-centric design of the internet-of-things solution for food supply chain: Value creation, sensor portfolio and information fu- sion. Information Systems Frontiers, 17(2):289-319.[Perera et al., 2014] Perera, C., Jayaraman, P. P., Zaslavsky, A., Geor- gakopoulos, D., and Christen, P. (2014). Sensor discovery and configuration framework for the Internet of Things paradigm. In 2014 IEEE World Forum on Internet of Things (WF-IoT), pages 94-99. IEEE.
[PhysOrg.com, 2009] PhysOrg.com (2009). Internet Growth Follows Moore's Law Too.
Recibido: 02/10/2017
Aceptado: 07/12/2015