Currículo: esta unidad desarrolla todos los saberes básicos del Bloque B – Internet de las cosas correspondiente a 3º ESO. Además, se evalúan los criterios que puedes encontrar al final de esta página.
Tabla de contenidos
- 5.1. Aplicaciones de los sensores IoT.
- 5.2. Conexión de dispositivos a la nube.
- 5.3. Características básicas de los protocolos de comunicación.
- 5.4. Aplicaciones móviles IoT.
- 5.5. Prácticas de Internet de las Cosas con Arduino
En los últimos dos años, hemos establecido una sólida comprensión del Internet de las Cosas (IoT), sus componentes y sus aplicaciones tanto en el ámbito doméstico como industrial. Este año, vamos a expandir nuestros conocimientos explorando cómo los sensores IoT se aplican en diversos escenarios, cómo los dispositivos IoT interactúan con la nube, y los protocolos de comunicación que facilitan estas interacciones.
5.1. Aplicaciones de los sensores IoT.
El universo de aplicaciones de los sensores IoT es enorme y está presente en numerosos sectores de nuestra sociedad, transformando la manera en que interactuamos con el mundo que nos rodea. La selección de sectores presentados a continuación responde al mayor impacto que representan en tu vida cotidiana.
5.1.1. Sector Doméstico.
Principalmente se aplica en la automatización del hogar.
Los sensores IoT permiten la automatización de tareas relacionadas con, entre otras:
- Control de iluminación: encender o apagar luces automáticamente según la presencia de personas.
- Gestión de energía: sensores que monitorean el consumo eléctrico y sugieren formas de ahorro.
- Seguridad doméstica: sensores de movimiento que activan alarmas si detectan intrusos.
- Calefacción inteligente: sensores que ajustan la calefacción según la temperatura deseada.
- Monitoreo de plantas: sensores que avisan cuando tus plantas necesitan agua o luz solar.
5.1.2. Sector Industrial.
Los sensores monitorizan el estado de las máquinas y pueden prever cuando una máquina podría fallar (mantenimiento predictivo).
Pero existen muchas otras aplicaciones:
- Optimización de procesos: sensores que monitorean el trabajo y ayudan a mejorar la optimización de recursos.
- Seguridad industrial: sensores que detectan condiciones peligrosas (fugas de gas, grietas, presión, temperatura,…).
- Control de calidad: sensores que inspeccionan productos en tiempo real para garantizar estándares (tamaño, forma, color,…).
- Gestión de inventarios: sensores que monitorean niveles de stock y automatizan pedidos de reabastecimiento.
- Monitoreo ambiental: sensores que miden las condiciones ambientales en la planta de producción, permitiendo un ambiente de trabajo seguro.
5.1.3. Sector Salud.
Los sensores pueden monitorizar signos vitales y enviar alertas en caso de emergencias.
Veamos algunas de las situaciones más comunes:
- Monitoreo cardíaco: sensores en relojes inteligentes que registran la frecuencia cardíaca.
- Detección de caídas: dispositivos que alertan a servicios médicos en caso de caída.
- Glucómetros conectados: captan niveles de glucosa y envían datos al médico.
- Medición de actividad física: sensores que rastrean pasos y otros datos de la actividad diaria.
- Monitoreo del sueño: dispositivos que analizan la calidad del sueño.
- Recordatorios de medicación: sistemas que alertan a los pacientes cuando es hora de tomar medicación.
Además, otro área de aplicación muy importante es la gestión de los centros sanitarios, donde se supervisan numerosos procesos, como:
5.1.4. Sector Transporte.
Los sensores que forman parte de sistemas IoT juegan un papel fundamental en el transporte. No solo facilitan la navegación y previenen accidentes mediante la detección de obstáculos, sino que tienen muchas otras aplicaciones prácticas que se utilizan a diario. Veamos algunos ejemplos concretos:
- Sistemas de navegación GPS: los dispositivos GPS permiten conocer en tiempo real la ubicación exacta de vehículos como autobuses, camiones de reparto o incluso bicicletas de alquiler. Esto facilita tanto la planificación de rutas óptimas como la localización de vehículos perdidos o robados. Por ejemplo, aplicaciones como Google Maps o Waze utilizan estos datos para sugerir rutas alternativas cuando hay atascos o accidentes.
- Sensores de estacionamiento: estos sensores emiten alertas acústicas y visuales al conductor cuando el vehículo se acerca demasiado a un obstáculo, facilitando el aparcamiento y reduciendo el riesgo de colisiones. Algunos coches actuales cuentan incluso con sistemas de aparcamiento asistido que pueden realizar esta tarea automáticamente sin intervención del conductor.
- Control inteligente del tráfico: los sensores instalados en calles y autopistas recogen información sobre la densidad del tráfico y la velocidad de los vehículos. Esta información permite que, por ejemplo los semáforos ajusten automáticamente su funcionamiento, mejorando la fluidez del tráfico y reduciendo los atascos, especialmente en horas punta.
- Gestión de flotas: los sensores IoT permiten a las empresas de transporte gestionar grandes grupos de vehículos de manera eficiente. Por ejemplo, se pueden monitorizar aspectos como el consumo de combustible, los hábitos de conducción o las rutas más frecuentes, permitiendo tomar decisiones informadas para optimizar costes y también mejorar la seguridad.
5.1.5. Sector Agricultura.
En el caso de la agricultura podemos monitorizar las condiciones del suelo, clima y otros factores ambientales para optimizar el rendimiento agrícola. Veamos en detalle algunas aplicaciones prácticas que facilitan el trabajo agrícola en la actualidad:
- Vigilar de humedad del suelo: sensores colocados en el suelo miden el nivel de humedad para determinar cuándo y cuánto regar. Por ejemplo, esto permite a los agricultores ahorrar agua y mejorar la salud de los cultivos, especialmente en regiones donde el agua es un recurso escaso.
- Control automatizado de plagas: sensores específicos pueden detectar plagas de manera temprana mediante cámaras y sensores bioquímicos. Esto posibilita intervenciones muy precisas, reduciendo el uso generalizado de pesticidas y minimizando daños al cultivo.
- Previsiones meteorológicas: estaciones meteorológicas equipadas con sensores IoT recopilan datos como temperatura, humedad, velocidad del viento y precipitaciones. Esto ayuda a anticipar eventos climáticos extremos como heladas o sequías, permitiendo preparar medidas preventivas adecuadas.
- Automatización del riego: sistemas automatizados ajustan el riego en tiempo real según los datos recopilados por sensores. Esto asegura que las plantas reciban exactamente la cantidad de agua necesaria, optimizando así los recursos.
- Optimización en la fertilización: los sensores analizan el contenido de nutrientes en el suelo para recomendar la cantidad óptima y tipo de fertilizante. Esto evita excesos o carencias que pueden perjudicar la producción agrícola.
- Control de maquinaria agrícola: la automatización mediante IoT permite controlar tractores, cosechadoras y drones agrícolas, facilitando tareas repetitivas como sembrar, fertilizar o cosechar, reduciendo costes de manera considerable.
5.1.6. Sector de Energía.
Estas tecnologías también nos permiten gestionar el consumo energético de manera eficiente, además de otras tareas críticas en el sector energético. Veamos en detalle aplicaciones prácticas que están mejorando diariamente la gestión de energía:
- Medición del consumo energético: los sensores inteligentes instalados en domicilios, empresas e industrias miden en tiempo real el consumo eléctrico, proporcionando datos que ayudan a identificar patrones de consumo, evitar el despilfarro y regular la potencia de la red.
- Optimización de la producción en plantas energéticas: sensores ubicados en centrales eléctricas controlan parámetros críticos como presión, temperatura y rendimiento para maximizar la eficiencia de producción energética.
- Detección temprana de fallos en líneas eléctricas: mediante sensores instalados en la red eléctrica, se pueden detectar de forma anticipada averías, permitiendo reparaciones preventivas antes de que ocurran apagones o daños mayores.
Cada uno de estos sectores muestra cómo los sensores IoT, que ya hemos clasificado y entendido en profundidad, se integran en aplicaciones prácticas para mejorar diferentes aspectos de nuestra vida diaria. La capacidad de estos sensores para recoger datos en tiempo real -y enviarlos a una plataforma en la nube para procesarlos- es lo que permite estas aplicaciones innovadoras.
5.2. Conexión de dispositivos a la nube.
La conexión de dispositivos a la nube facilita que los datos generados se almacenen, procesen y estén accesibles desde servidores remotos. Por ejemplo, hay una estación meteorológica ubicada en la azotea del instituto que envía constantemente datos como temperatura, humedad y presión atmosférica a la nube. Esto permite que los responsables del centro puedan consultar esta información en tiempo real desde cualquier dispositivo con acceso a internet.
Veamos con un poco más de detalle cada una de las fases en las que podemos organizar ese proceso.
5.2.1. Transmisión.
En esta etapa inicial, los sensores del dispositivo recolectan los datos necesarios y los envían a la nube -a la plataforma de procesamiento IoT que hayamos elegido-. En el caso de nuestra estación meteorológica, los sensores registran parámetros ambientales como temperatura, humedad relativa y presión atmosférica, que se centralizan en una placa Arduino UNO -con un módulo WiFi ESP8266- y que mediante la WiFi del instituto la placa la envía a la nube -Smart IoT, ThingSpeak, o cualquier otro-.
La seguridad en esta transmisión es importante para proteger la información, por lo que generalmente se emplean protocolos seguros que evitan la alteración de los datos. Este envío puede realizarse de manera continua en tiempo real -sólo en caso de que estemos trabajando con sistemas críticos- o programarse en intervalos específicos -una vez cada dos minutos, media hora, tres días o cualquier otro-.
5.2.2. Almacenamiento.
Una vez recibidos, los datos son almacenados en servidores en la nube. Este almacenamiento permite mantener grandes volúmenes de información de manera segura, facilitando el acceso posterior.
Además, la nube ofrece sistemas avanzados de respaldo que garantizan la disponibilidad de los datos.
5.2.3. Procesamiento.
Esta fase implica el procesamiento de los datos para extraer información útil. Por ejemplo, en nuestra estación meteorológica, todos los datos almacenados se analizan para realizar un presupuesto anual de lo que gastará el instituto en calefacción el próximo año.
Este procesamiento incluye diversas técnicas analíticas como cálculos, comparaciones y visualizaciones, facilitadas por potentes herramientas ofrecidas por plataformas en la nube, permitiendo a los responsables del centro, profesores y estudiantes realizar investigaciones, elaborar proyectos educativos o tomar decisiones basadas en datos sólidos.
5.2.4. Acceso.
Finalmente, el acceso es la fase en la que los usuarios pueden consultar y utilizar los datos procesados. En nuestro ejemplo, toda la comunidad educativa podría acceder a los datos climáticos mediante una aplicación -web o móvil-, desde cualquier lugar y en cualquier momento. La nube facilita esta accesibilidad global y permite compartir información fácilmente, fomentando la colaboración educativa.
Además, se pueden configurar distintos niveles de permisos para garantizar que solo usuarios autorizados puedan ver o modificar la información, manteniendo así la privacidad y seguridad.
5.3. Características básicas de los protocolos de comunicación.
En el universo de la IoT, los protocolos de comunicación son como los idiomas que permiten que los dispositivos «hablen» entre ellos. Cada protocolo tiene sus propias reglas y características que lo hacen especial para ciertas tareas. Así como en el mundo real tenemos diferentes idiomas, en el mundo digital tenemos diversos protocolos. Ahora, vamos a explorar algunos de estos «idiomas digitales» para entender cómo ayudan a los dispositivos a compartir información y colaborar entre ellos.
5.3.1. Zigbee.
El protocolo de comunicación Zigbee opera en la banda de 2.4 GHz, usa una topología de «red mesh», y reglas basados en el estándar IEEE 802.15.4.
Sus mayores ventajas son el bajo consumo energético, la alta seguridad, y su capacidad para conectar muchos dispositivos.
Se usa con frecuencia para la automatización del hogar (luces, termostatos), monitorización industrial, sistemas de seguridad, y dispositivos de salud conectados.
5.3.2. Bluetooth LE (Bluetooth Low Energy).
Este protocolo, por su parte, también opera en la banda de 2.4 GHz, tiene una alcance de hasta 100 metros y se usa principalmente para conexiones punto a punto.
Dispone de ventajas como el bajo consumo energético, una conexión rápida y compatibilidad con dispositivos móviles.
Se usa mucho en relojes inteligentes, pulseras de actividad, auriculares inalámbricos, localizadores de llaves y dispositivos de monitorización de la salud -como los glucómetros-.
5.3.3. MQTT (Message Queuing Telemetry Transport).
Este protocolo es un poco menos doméstico, pero es muy ligero y su modelo se basa en la publicación/suscripción. Es muy eficiente en ancho de banda, tiene una buena entrega de mensajes y es capaz de retenerlos para mejorar su desempeño.
Sus usos principales son la monitorización y control en tiempo real en sectores como la industria y la salud.
5.3.5. CoAP (Constrained Application Protocol).
Para finalizar tenemos un protocolo ligero basado en un modelo de solicitud-respuesta.
Tiene muy bajo consumo de ancho de banda y ha sido diseñado para dispositivos con recursos muy limitados. Por todo ello, se utiliza en la automatización del hogar, la monitorización industrial, aplicaciones que utilicen sensores y actuadores en entornos de IoT.
5.4. Aplicaciones móviles IoT.
Las aplicaciones móviles IoT no solo han transformado cómo interactuamos con los dispositivos, sino que han extendido la frontera de lo que es posible. Desde monitorizar nuestra salud hasta controlar la seguridad de nuestra casa, las aplicaciones móviles IoT están redefiniendo la relación entre el usuario y la tecnología.
En los dos cursos anteriores vimos ejemplos de aplicaciones de propósito general y también aplicaciones IoT punteras en todo tipo de industrias. En esta ocasión, nos centraremos en diez de las más importantes aplicaciones móviles relacionadas con IoT:
- Apple HomeKit: esta plataforma permite la interconexión y control de dispositivos domésticos compatibles como luces, termostatos, cerraduras, entre otros, facilitando la creación de un hogar inteligente.
- EufyHome: proporciona una interfaz para gestionar dispositivos Eufy, como cámaras de seguridad y electrodomésticos inteligentes, permitiendo una gestión centralizada de la seguridad y la domótica del hogar.
- Garmin Connect: es una aplicación que permite monitorear la actividad física, el sueño, y compartir datos deportivos con una comunidad de usuarios, ayudando a mantener un estilo de vida activo y saludable.
- Automatic: conecta tu coche a tu smartphone a través de un adaptador OBD-II, proporcionando datos útiles como diagnósticos del motor, ubicación del vehículo, seguimiento de viajes, y alertas de velocidad.
- Tado: controla el sistema de calefacción y aire acondicionado de tu casa remotamente.
- Wink: conecta y controla dispositivos domésticos inteligentes desde tu teléfono.
- Agrivi: ofrece soluciones de gestión agrícola, ayudando a los agricultores a mejorar la producción.