EVOLUCION DE SENSORES PARA IoT

Los sensores han existido durante más tiempo que Internet, y mucho más que Internet of Things - IoT (¿QUE ES LA IoT PARA LAS SMARTER CITIES?). Érase una vez, que los canarios sintieron el peligro y se martirizaron en las minas de carbón. Ahora los drones detectan huracanes y los droides trabajan en reactores nucleares.

Desde nano a micro y de éste a macro, los sensores son ojos artificiales que alimentan nuestra inteligencia artificial. Los avances científicos en nanosensores y biosensores lanzarán un nuevo conjunto de aplicaciones que solo podemos ver en la ciencia ficción actual.

Se requerirá más convergencia de la tecnología para alcanzar todo su potencial, no solo la simple combinación de datos y algoritmos.

Los sensores se han convertido en una "metáfora" de la digitalización.

En un evento en noviembre, en la provincia de Mendoza, Argentina, luego de haber disertado sobre Seguridad Ciudadana aplicada en las Ciudades Inteligentes, me sorprendió hablar con varios desarrolladores de hardware local (en Argentina) y ver que han estado desarrollando tecnología de sensores durante décadas, antes de la fecha de "nacimiento" de la IoT. Lo que creo es que la conectividad a la nube parece haber dado a los sensores una nueva vida.

Dado que los sensores son un componente esencial de las aplicaciones IoT, trataré de presentar un rápido vistazo en la evolución de los sensores de todas las formas y tamaños y en las industrias, intitulada: "Desde los días de los canarios hasta la edad de los drones".


Llamando a todos los sensores

La clasificación de los sensores no es fácil debido a las diversas formas en que se pueden clasificar, especialmente porque estamos en un momento en que el concepto mismo de lo que hace que un sensor está evolucionando de forma constante.

Los sensores son ventanas desde el mundo digital a nuestro mundo analógico: convertidores analógico a digital (A/D) en realidad.

Aquí hay algunas categorías de sensores que no se excluyen mutuamente para mostrar por qué la clasificación es difícil.

Sensores MEMS: Casi el gran padre de los sensores, estos sensores se basan en sistemas microelectromecánicos (MEMS). Esta categoría no es específica de la aplicación, pero se basa en el tamaño del sensor (tamaño micrométrico) y en cómo está construido (silicona, metal, etc.). Los sensores de los que normalmente escuchamos, como acelerómetros, giróscopos, micrófonos y la mayoría de los biosensores son del tipo MEMS.

Sensores NEMS: la miniaturización a tamaño nanométrico con nuevos materiales está dando lugar a sistemas nanoelectromecánicos (NEMS) que harán avanzar aún más las funciones y aplicaciones de detección.

Sensores biológicos: estos sensan/detectan las respuestas biológicas y operan a nivel molecular. Muchos de ellos se basan en MEMS (Bio-MEMS), pero no necesitan serlo. Un ejemplo: un monitor de glucosa implantado para detección de células cancerosas. Podrían confiar en los microbios, ser sensibles a la luz o ser sensibles a la densidad. Podrían ser sensores pasivos, usables como un reloj o stents incrustados en nuestro cuerpo.

Basado en estímulos ambientales: los ejemplos son sensores que funcionan al detectar la luz, el sonido y el contacto físico. Los sensores ópticos, sensores activados por voz, sensores de ultrasonido, sensores de movimiento, sensores de presión, sensores de vibración, sensores de flujo funcionan en base a estos estímulos analógicos.

Teléfonos: Tu teléfono inteligente es un sensor. Realiza un seguimiento de tus movimientos, identifica tu rostro o huella dactilar para tu seguridad. Las nuevas aplicaciones, incluida la detección pasiva complementada por realidad aumentada (AR) para la detección en 3D de nuestro entorno, están a la vuelta de la esquina. Algo que se viene en este tema es la Identidad Aumentada.

Sensores remotos: los satélites han estado cumpliendo esta función durante décadas. Existe una categoría completa de satélites de teledetección que realizan tareas desde el mapeo geográfico hasta el análisis del clima.

Drones y robots: normalmente no pensamos en los drones como sensores, pero la mayoría de las aplicaciones de aviones no tripulados son para levantamientos aéreos, como los que se usan después del huracán Harvey para inspeccionar los daños causados por compañías como AT&T y el gobierno.

Humanos: Cuando le decimos a una aplicación de navegación (por ejemplo, Waze) que hay un bache en la carretera o cuando tomamos la fotografía de una propiedad pública dañada y la enviamos a una agencia gubernamental (como ya se hace habitualmente en algunos municipios de provincias de algunos países), actuamos como macro sensores


Las categorizaciones mutuamente excluyentes de los sensores no son fáciles en función de cómo se construyen los sensores.

Los sensores requieren la integración de la ciencia y la tecnología.

Debajo podrás ver una enumeración de los sensores que combinan tecnologías analógicas y digitales, que varían en tamaños desde nanómetros a micrómetros, y se basan en cómo se combinan varias disciplinas de ciencia y tecnología para hacerlas. La colección de datos se extiende desde sensores MEMS hasta satélites y personas.


Tipos de sensores, analógicos vs. digitales

Los sensores requieren la integración de la ciencia y la tecnología, no solo las tecnologías informáticas y de comunicaciones. Son literalmente una metáfora para la digitalización.

Sensores específicos de la aplicación: A menos que seas un fabricante de componentes, las clasificaciones anteriores no son muy útiles para elegir sensores. Debes elegirlos por tipo de aplicación, por requisitos funcionales o por atributos no funcionales como la longevidad del equipo al que está conectado el sensor.

A veces se necesitan sensores compuestos que realizan múltiples funciones en uno, como el sensor de micronavegación que combina acelerómetro, giroscopio y GPS. En su mayoría, un dispositivo tiene muchos sensores integrados.


Algunos ejemplos para mercados verticales

Petróleo y gas: En la industria de procesos o en la industria de recursos como el petróleo y el gas, los sensores de flujo reinan. Los sensores de alta y baja precisión miden los flujos de líquidos y gases, así como las condiciones ambientales.

Automotriz: al lado de una aeronave, quizás un automóvil tenga la mayoría de los sensores y el número está aumentando para respaldar la conducción autónoma. Incluso antes de que surgieran los vehículos autónomos, se medían todos los aspectos de un automóvil, desde la velocidad hasta las pastillas de freno y los niveles de fluídos. La autonomía requiere que los autos aumenten la detección para hacer más sensores externos V2V (vehículo a vehículo) y V2I (vehículo a infraestructura) utilizando tecnologías como LiDAR.

Dispositivos de consumo: el teléfono inteligente tiene aproximadamente 15 sensores, sin contar las cámaras que pueden funcionar como sensores. Miden todo, desde la ubicación, la proximidad, la orientación y las condiciones ambientales.

Atención médica: los sensores aquí van desde rastreadores y dispositivos portátiles no invasivos hasta sensores invasivos "en vivo" que pueden detectar daño cardíaco o células mutadas.

Encontrar el sensor adecuado para una aplicación requiere un dominio experto de la industria. Los requisitos de precisión a menudo aumentan los costos de manera exponencial.

Si bien los sensores han existido durante más tiempo que Internet, los sensores tienen un nuevo poder con conectividad en la nube.

Pero todo sensor requiere también una puerta de enlace, vulgarmente llamadas gateways...

Como expliqué en un artículo anterior (¿COMO FUNCIONA REALMENTE UN SISTEMA IoT?), casi todos los sistemas IoT necesitan alguna forma de conectar sensores/dispositivos a la nube para que los datos puedan enviarse entre ellos. Las puertas de enlace IoT son esenciales para hacer posible esta conexión, pero ¿qué es una puerta de enlace?

Las puertas de enlace actúan como "puentes" entre los sensores/dispositivos y la nube.

Muchos sensores/dispositivos "hablarán" a una puerta de enlace y la puerta de enlace tomará toda esa información y "hablará" a la nube.


Pero ¿por qué el paso extra?

Ahora que sabes qué es una puerta de enlace, puede ser que te estés preguntando qué beneficio hay al dar ese paso adicional entre los sensores/dispositivos y la nube. Resulta que hay varios beneficios.

Duración de la batería

Si un sensor/dispositivo está en un área remota, es posible que necesite una conexión de largo alcance, como la conectividad satelital, para comunicarse con la nube. Como expliqué aquí (CONECTANDO IoT EN LAS SMARTER CITIES), una distancia más larga generalmente significa un mayor consumo de energía (y costos, por supuesto); esto puede ser un problema para pequeños sensores/dispositivos con una duración limitada de la batería.

Si estás haciendo Smart Agriculture (seguimos con el mismo ejemplo de artículos anteriores), querés que tus sensores de campo duren años, no meses o semanas. Al utilizar una puerta de enlace elevada instalada cerca de la parte superior de un edificio lateral o silo de granos, los sensores/dispositivos solo tienen que enviar datos a una corta distancia de la puerta de enlace y la puerta de enlace puede redirigir los datos a la nube a través de una conexión de ancho de banda superior.

Las puertas de enlace permiten que los sensores/dispositivos se comuniquen en distancias más cortas, lo que aumenta la vida útil de la batería.

Protocolos variados

Una aplicación completa IoT puede involucrar diferentes tipos de sensores y dispositivos. Utilizando el ejemplo de Smart Agriculture, es posible que necesites sensores para la temperatura, la humedad y la luz solar, y dispositivos como el riego automático y los sistemas de fertilizantes.

Todos los diferentes sensores y dispositivos pueden usar diferentes protocolos de transmisión (básicamente, las reglas y el formato de la información que se transmite). Los protocolos incluyen LPWAN, Wi-Fi, Bluetooth y Zigbee, entre muchos otros.

Las puertas de enlace pueden comunicarse con sensores/dispositivos a través de distintos protocolos y luego traducir esos datos a un protocolo estándar, por ejemplo MQTT, para enviarlos a la nube.

Datos sin filtrar

A veces, los sensores/dispositivos pueden generar tantos datos que son abrumadores para el sistema o extremadamente costosos de transmitir y almacenar. A menudo, en tales casos, solo una pequeña fracción de los datos es realmente valiosa. Por ejemplo, una cámara de seguridad no necesita enviar datos de video de un pasillo vacío.

Las puertas de enlace pueden preprocesar y filtrar los datos que generan los sensores/dispositivos para disminuir los requisitos de transmisión, procesamiento y almacenamiento.

Alta latencia

En un artículo anterior (¿COMO FUNCIONA REALMENTE UN SISTEMA IoT?), expliqué también que el tiempo puede ser crítico para ciertas aplicaciones IoT; los sensores/dispositivos no pueden permitirse transmitir datos a la nube y esperar para obtener una respuesta antes de actuar. Esto es cierto para situaciones de vida o muerte en el ámbito médico o para objetos que se mueven rápidamente, como los automóviles.

Se puede evitar una mayor latencia al procesar los datos en la puerta de enlace y dar comandos localmente. Sin embargo, muchos sensores/dispositivos en aplicaciones IoT son demasiado pequeños y con poca batería para realizar el procesamiento ellos mismos.

Las puertas de enlace pueden reducir la latencia en aplicaciones de tiempo crítico al realizar el procesamiento en la puerta de enlace en lugar de hacerlo en la nube.

Seguridad

Cada sensor/dispositivo que está conectado a Internet se vuelve vulnerable a ser hackeado. Los sensores/dispositivos hackeados son terribles. No solo para el propietario, sino también para todos los demás.

Hace unas semanas, el malware llamado Mirai se utilizó para piratear y controlar miles de dispositivos IoT. Este "bot-net" de dispositivos se usó para "complicar" partes importantes de la Internet (lee algo sobre de Mirai).

Las puertas de enlace reducen la cantidad de sensores/dispositivos conectados a Internet porque los sensores/dispositivos solo están conectados a la puerta de enlace. Sin embargo, esto hace que las puertas de enlace sean también objetivos y también la primera línea de defensa. Por esta razón, la seguridad debe ser una prioridad para cualquier puerta de enlace.

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