Catalogaremos como infraestructuras a aquellos elementos necesarios para intercomunicar de forma ubicua los datos que genera cualquier integrante de nuestra cadena de suministro ya sea persona, máquina, robot o cosa con el resto de integrantes. Por tanto a priori, nuestra infraestructura tecnológica como organización 4.0 estará compuesta principalmente por equipos de telecomunicaciones y el software necesario para su funcionamiento.
Para disponer de los datos de forma ubicua (todos tienen acceso a la información que necesitan) tendremos que actualizar nuestras infraestructuras para comunicar y analizar nuestros procesos de forma conveniente, independientemente de los dispositivos que tengamos conectados a estas infraestructuras y de los servicios que provean.
Incluimos canalizaciones, cables, antenas y repetidores de señal, sistemas de alimentación y almacenamiento de energía, armarios rack, equipos hardware para control, equipos para comunicación interior y exterior, nuestra red de ordenadores, nuestro servidor de datos y aplicaciones.
Debemos prestar especial atención al diseño de nuestras infraestructuras para que puedan crecer a medida que lo haga nuestra organización. Para ello hay que tener en cuenta las necesidades de los dispositivos que se conectarán a las mismas (máquinas, sistemas de control, robots, dispositivos IoT, señalizadores, HMIs, etc.) y las de los servicios que queremos prestar para alcanzar nuestra estrategia (páginas Web, tienda virtual, servicios de asistencia técnica, parámetros de producción, mantenimiento predictivo, conectividad IoT, Apps, etc.).
Será necesario realizar un estudio minucioso atendiendo al volumen de datos de cada uno de los procesos que tendrán lugar en nuestra organización, el tipo y el volumen de información que debemos almacenar, las necesidades de procesado de la misma, los datos que debemos transmitir a la nube, las redes a usar para cada uno de ellos, los protocolos para intercomunicarlos, el ancho de banda necesario para que todos los procesos puedan dialogar entre sí o con el exterior si es preciso.
El resultado del estudio nos dará de forma analítica los valores mínimos de las capacidades necesarias en cada caso. Sobre estos valores mínimos debemos aplicar un cierto margen de holgura para que en caso de crecimiento las infraestructuras sigan siendo válidas.
También tendremos que considerar temas de espacio físico. En el hipotético caso de tener que adquirir o modificar nuestras canalizaciones para cableado o armarios para alojar dispositivos, debemos sobredimensionarlos dejando suficiente espacio para poder ampliar las instalaciones en un futuro.
Debido a la complejidad del tema trataremos de hacer una clasificación de Infraestructuras que contemple únicamente aquellas que consideramos relevantes para poder adaptarnos a los requisitos de la Industria 4.0. Aunque no siempre sea así, daremos por supuesto que nuestra organización dispone de canalizaciones, sistemas de alimentación y dispositivos de control como PLC acordes o adaptables al nuevo marco tecnológico y que la incorporación de nuevos elementos o la sustitución y/o adaptación de los existentes puede realizarse sin ningún tipo de problemas.
Nos centraremos básicamente en estudiar aquellas infraestructuras que podamos necesitar para comunicar distintos dispositivos de nuestra red en movimiento (Wireless), los nuevos protocolos de comunicación y las infraestructuras alquiladas (Cloud).
La movilidad es fundamental en la nueva industria. Cada vez es mayor el número de procesos que deben realizarse en movimiento y para optimizarlos debemos prescindir del cable.
Los estándares existentes para transmisión de datos inalámbrica han sido y son ampliamente utilizados en entornos poco ruidosos y distancias próximas (viviendas, oficinas, etc.) pero su baja fiabilidad y su corto alcance han impedido su penetración masiva en el entorno industrial.
No obstante, en aras de satisfacer las necesidades de la industria y sobre todo tras la aparición del IoT, en los últimos años se han desarrollado tecnologías inalámbricas que permiten su aplicación en la mejora industrial de los procesos y por tanto debemos conocerlas para saber cuál aplicar según nuestras necesidades.
Ante la diversidad existente, pues cada una de ellas tiene su propia “idiosincrasia”, debemos conocer sus características para seleccionar la mejor opción para nuestra aplicación.
En los criterios de selección tendremos en cuenta factores como: si la solución será para trabajar al aire libre o no, si involucra elementos móviles, su alcance, el coste de la tecnología y los añadidos por la suscripción, la cobertura, las necesidades de potencia, la duración de la batería, los volúmenes de datos que se manejarán, la frecuencia de trabajo, el ancho de banda necesario, el tiempo de conexión, el número de nodos que permite, su rendimiento, la estabilidad, la seguridad, la posibilidad de abordar necesidades futuras (escalabilidad) y si dispone de un buen ecosistema de desarrolladores e integradores sobre el que nos podamos apoyar para obtener soporte.
Una forma rápida de visualizar cuáles de ellas pueden ser la mejor opción puede ser el uso de un gráfico radial en el que representemos las características con mayor prioridad para nosotros. El resultado será un gráfico como el de la figura en la que como vemos será muy fácil tomar las decisiones, pues a simple vista nos permitirá descartar las menos aptas y seleccionar aquellas más acordes a nuestros propósitos. Si como ejemplo, necesitásemos bajo consumo y gran penetración, según el gráfico, nos centraríamos en usar tecnología LPWAN.
Lo hagamos como lo hagamos, debemos tomarnos muy en serio esta elección, pues sobre estas redes se apoyarán los dispositivos que comunicarán y controlarán nuestras máquinas, robots y procesos y por tanto quedaremos condicionados a su uso.
Podemos clasificar las tecnologías WLAN atendiendo criterios diversos. La figura anterior muestra una pequeña parte del gran abanico de tecnologías inalámbricas existentes y las segmenta atendiendo a su alcance.
Se distinguen entre los siguientes tipos de tecnologías y redes:
Conozcamos los aspectos más relevantes de las tecnologías más representativas de cada una de ellas:
Es una tecnología de ondas de radio muy usada en logística y gestión de almacenes pues se usa principalmente para identificar y localizar objetos. El sistema se compone de etiquetas que almacenan datos y lectores que pueden acceder a la información almacenada en las mismas.
Según como estén configurados pueden ser sistemas de comunicación activos, en el que ambos equipos disponen de un chip RFID para generar un campo electromagnético e intercambiar datos o pasivos en el que sólo hay un dispositivo activo y el otro aprovecha ese campo para intercambiar la información.
La comunicación activa tiene la ventaja de que su alcance es mayor pudiendo llegar a superar el centenar de metros, no obstante, los sistemas pasivos tienen una característica que los hace únicos y es que no necesitan alimentación, puesto que es el lector el que genera la energía suficiente para leer los datos.
Consiste en un sistema remoto de almacenamiento y recuperación de datos que sirve para transmitir la identidad de un objeto (similar a un número de serie único) mediante ondas de radio.
Usa campos electromagnéticos para leer datos a distancias cortas almacenados sobre etiquetas que pueden ser pasivas o activas. Aunque sus usos no paran de crecer, se utilizan comúnmente para la identificación de animales, como llave de automóviles, para seguimiento de palés, equipajes y ropa, para control de acceso en edificios y últimamente en pacientes de centros hospitalarios para hacer un seguimiento de su historia clínica.
Protocolos de comunicación que posibilitan la transmisión de información entre dos dispositivos dentro de un alcance muy corto (4 cm. aproximadamente). Al igual que RFID funciona mediante inducción y trabaja en la banda de los 13,56 MHz que no requiere ninguna licencia para su uso.
Se utiliza principalmente para realizar pagos con tarjetas bancarias y móviles y también como interface de servicios en sistemas de control de acceso, autenticación de productos, seguimiento de activos y sensores inalámbricos, ya que los dispositivos NFC pueden actuar como un conducto bidireccional para los datos que están dentro y fuera del equipo industrial.
Son las que se encuentran dentro de la norma 802.15 del IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Como su nombre indica, sirven para interconectar los dispositivos personales. Su alcance se limita normalmente a unos pocos metros, no siendo aptas para establecer conexión con dispositivos que se encuentran en habitaciones o edificios diferentes. A pesar de esta limitación, las redes WPAN tienen muchísima aplicación pues se utilizan principalmente para conectar periféricos en el ámbito del ocio y de los hobbies. Algunos ejemplos típicos son: videoconsolas, cámaras digitales, smartwatches, pulseras deportivas, auriculares, altavoces, gafas, etc.
En el marco del Internet of Things (IoT), las redes WPAN se utilizan para la comunicación de las aplicaciones de control y monitorización de dispositivos con una frecuencia de transferencia baja.
Veamos una breve descripción de las tecnologías más relevantes dentro de esta categoría:
Bluetooth se desarrolló en 1994 por Ericsson. Trabaja mediante transmisiones de radio de onda corta en la banda libre de los 2,4 GHz y se caracteriza por un generoso ancho de banda y por consumir poca energía. Es una tecnología ampliamente utilizada pues se han vendido más de 2.500 millones de dispositivos con Bluetooth en todo el mundo. Se utiliza en smartphones, tablets, portátiles, ibeacons, ratones, teclados, impresoras, auriculares, televisores, cámaras digitales, reproductores MP3 o videoconsolas. El grupo Bluetooth Special Interest Group, se ocupa de estandarizar las especificaciones de esta tecnología y reúne a más de 18.000 empresas.
Se diseñó originalmente para la transmisión de voz y datos entre diferentes dispositivos eliminando la necesidad de cables entre ellos, por eso el uso del Bluetooth se ha asociado a los teléfonos móviles, ya que éstos fueron de los primeros dispositivos en incorporarlo. En sus últimas versiones, se han conseguido importantes mejoras en alcance, consumo (Bluetooth Low Energy o BLE) y en incrementar el número de nodos de la red (Bluetooth Mesh) para poder aplicarse en automatización de viviendas e industrias.
Protocolo de comunicación propietario de corto alcance y baja latencia de transferencia de datos con menor consumo que Wi-Fi, usado originalmente en automatización de viviendas.
Trabaja en la banda libre de los 868MHz y puede llegar a trabajar a 40 kbit/s, pudiendo operar en rangos de hasta 30 metros en condiciones ideales. Su topología de red es tipo malla y cada elemento se comporta como un nodo que puede ser receptor o emisor reenviando el mensaje.
Permite realizar agrupaciones para asociar la misma funcionalidad a todos los elementos del grupo. El principal inconveniente es el elevado consumo eléctrico que lleva asociado ya que el hardware encargado de la comunicación está permanentemente activo.
Consiste en una tecnología inalámbrica de comunicación abierta (basada en el estándar IEEE 802.15.4) que opera en las bandas de frecuencia de radio sin licencia de 2.4 GHz, 900 MHz y 868 MHz. Operando en la frecuencia más baja su alcance puede alcanzar varios cientos de metros.
Ha sido diseñado para proporcionar un alto rendimiento de datos en aplicaciones en las que el ciclo de trabajo es bajo y donde el bajo consumo de energía es una consideración a tener en cuenta (muchos de los dispositivos que utilizan ZigBee funcionan con baterías). Aunque fue concebido para su uso en automatización de viviendas, a menudo es utilizado en la automatización industrial.
Es una tecnología de red basada en estándares abiertos de bajo consumo y comunicaciones seguras, pensada para la automatización de viviendas, que ha sido diseñada para estandarizar las comunicaciones entre dispositivos IoT.
Soporta IPv6 de forma nativa pues se apoya sobre 6LoWPAN que está dentro del estándar IEEE 802.15.4 y consiste en un protocolo inalámbrico con topología Mesh (mallada) capaz de mantener la red incluso si cae algún nodo. Una de sus ventajas es que consiste en un módulo software pensado para comunicar dispositivos de distintos fabricantes independientemente de la capa física y de enlace al medio. Sus nodos pueden comunicarse directamente con otros dispositivos IP y disponen de acceso a la nube y seguridad mediante encriptación AES.
Si una red local se comunica de manera inalámbrica, se puede hablar en este caso de una Wireless Local Area Network (WLAN) o red de área local inalámbrica y quedará definida por la familia de normas IEEE 802.11. Las redes locales inalámbricas ofrecen la posibilidad de integrar terminales cómodamente en una red doméstica o empresarial y son compatibles con redes LAN Ethernet, aunque el rendimiento es menor que el de una conexión Ethernet cableada.
Tecnología muy extendida para trabajar en redes de área local inalámbricas basada en el estándar IEEE 802.11. En ella varios dispositivos, normalmente ordenadores, pueden comunicarse a gran velocidad a través de un punto de acceso. Dispone de muchas versiones (ver figura al inicio del capítulo) y aunque comenzó trabajando en la banda de frecuencia de 2,4 GHz interfiriéndose con Bluetooth, la versión 5 opera en la banda de frecuencia libre de 5 GHz. En esta banda el alcance es algo menor, debido a que a mayor frecuencia tenemos menor alcance, pero se producen muy pocas interferencias porque ha sido liberada recientemente y no existen apenas otras tecnologías que la utilicen.
La desventaja fundamental de estas redes reside en el campo de la seguridad. Existen algunos programas capaces de capturar paquetes y obtener la contraseña de la red para acceder a ella. Este problema se agrava si consideramos que no se puede controlar el área de cobertura de una conexión, de manera que un receptor se puede conectar desde fuera de la zona de recepción prevista (por ejemplo: desde fuera de una oficina, desde una vivienda colindante) y acceder así a nuestros datos.
Variante de Wi-Fi para comunicación punto a punto que permite la comunicación directa entre dispositivos de la misma red ya que elimina la necesidad del punto de acceso.
Variante del estándar Wi-Fi 802.11ah de reciente aparición (tendremos que esperar unos meses para ver aparecer dispositivos) que ha sido específicamente diseñado para cubrir las necesidades del IoT y que pretende competir con Bluetooth.
Está pensado para comunicar dispositivos de bajo consumo como pulseras de monitorización, sensores domésticos, cámaras de seguridad, etc., campos hasta ahora copados por el Bluetooth. Ofrece una serie de ventajas respecto a Bluetooth pues mejora el alcance al trabajar en la banda de los 900 MHz (se espera su estandarización para Europa) y puede conectarse más fácilmente a Internet.
Tecnología emergente que usa la luz emitida por lámparas LED para transmitir datos siguiendo un estándar similar al de Wi-Fi pues cumple con la norma 802.11. Al utilizar la iluminación (infrarroja, visible o ultravioleta) como base, dispone de un ancho de banda mucho más amplio que Wi-Fi y puede llegar a transmitir datos hasta 224 Gbps.
Puede trabajar incluso bajo el agua y el coste de la electrónica es muy bajo pero tiene algunos inconvenientes como el hecho de que deba mantenerse encendida la lámpara constantemente para poder trabajar y que, por ser luz, no pueda atravesar paredes. La aplicación de Li-Fi en el entorno industrial es prometedora ya que tiene una excelente respuesta en aplicaciones de tiempo real y es muy inmune al ruido.
Las redes inalámbricas de área metropolitana (WMAN Wireless Metropolitan Area Networks) se basan en el estándar IEEE 802.16, a menudo denominado WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access). WiMAX es una tecnología de comunicaciones con arquitectura punto a multipunto orientada a proporcionar una alta velocidad de transmisión de datos a través de redes inalámbricas de área metropolitana. Permite la creación de redes entre ciudades sin la necesidad de cableado ya que varias redes WLAN pueden ser interconectadas por WiMAX creando una gran WMAN.
WiMAX opera en dos bandas de frecuencia, una mezcla de banda con licencia y banda sin licencia, de 2 GHz a 11 GHz y de 10 GHz a 66 GHz, y es capaz de proporcionar a miles de usuarios velocidades de transmisión próximas a 70 Mbps a una distancia de 50 km, desde una única estación base.
Al poder operar en dos bandas de frecuencia, WiMAX puede trabajar con y sin línea de visión directa. En el rango de baja frecuencia trabaja sin línea de visión directa (difusión) mientras que en el de mayor frecuencia se requiere línea de visión directa (interconexión) aunque permite distancias mayores.
La red Wireless Smart Ubiquitous Network o red inalámbrica inteligente ubicua (Wi- SUN) es una tecnología catalogada como red WNAN (Wireless Neighborhood Area Network) basada en el estándar IEEE 802.15.4g que se apoya sobre 6LowPAN y está pensada para aplicaciones inalámbricas de Smart Utility y Smart City basadas en dispositivos IoT. Proporciona altas tasas de transmisión de datos (300 Kbps aprox.) que son consistentes en toda la red y con muy baja latencia. Gracias a su escalabilidad puede superar el millón de nodos conectados y estos pueden ser configurados para escuchar a determinados intervalos para ahorrar energía.
Debido a su topología de malla, permite múltiples rutas de conexión redundantes por lo que la confiabilidad de la red mejora a medida que más dispositivos participan en la red y en cuanto a su seguridad, cabe comentar que las redes basadas en Wi -SUN son las únicas que han logrado seguridad de nivel militar.
Las redes inalámbricas de área amplia (Wireless Wide Area Networks) se caracterizan por extenderse más allá de los 50 kilómetros y, al contrario que las redes vistas anteriormente, suelen utilizar frecuencias con licencia. Cubren grandes áreas, tales como ciudades o países, a través de los múltiples sistemas de satélites o antenas desplegadas y atendidas por un operador de servicios.
Existen tres tecnologías diferenciadas dentro de las redes WWAN: las redes para telefonía móvil, las redes de banda ancha y baja potencia LPWAN y las redes de satélites.
Las redes de telefonía móvil son las usadas por nuestros Smartphones y por otros muchos dispositivos IoT. Son las redes a utilizar cuando nuestra aplicación necesite elevadas tasas de transmisión de datos o en los casos en que la movilidad de los dispositivos se produzca en áreas extensas (provincia, país, etc). Para acceder a ellas es necesario el uso de una tarjeta SIMM en el dispositivo que permite la conexión directa con el operador.
Las diferentes generaciones de telefonía móvil se han desarrollado desde principios de los años 1980 y en los últimos años han evolucionado espectacularmente debido a la necesidad de disponer de información on-line.
Actualmente las redes de telefonía móvil se encuentran en un proceso de transición desde la tecnología 4G que ya está operativa desde hace unos años a la 5G que se prevé lo esté para 2020. Las diferencias entre ambas básicamente son el aumento de la velocidad de transmisión de datos (100 veces más rápida la 5G), la disminución del tiempo de conexión y la disminución del consumo de energía (las antenas están más próximas) de cara a dar servicio al coche conectado, la casa conectada las smart cities y al IoT.
En un intento desesperado con objeto de obtener cuota de mercado (antes de que la tecnología 5G esté totalmente lista) frente a los operadores LPWAN, las operadoras de telefonía móvil se han visto obligadas a diseñar redes con conectividad IoT que puedan usar las costosas infraestructuras existentes y permitan un rápido despliegue. LTE-M y NB-IoT son las dos más destacadas:
Es la evolución de LTE para adaptarse a IoT. LTE-M es completamente compatible con las estaciones base LTE, por lo que su infraestructura es “gratis para las operadoras”, es decir ya está implantada. Elimina de la tecnología inicial las características no usadas en las comunicaciones IoT y mantiene las beneficiosas como el alto nivel de seguridad y soporte de llamadas de voz.
Dispone de un modo de bajo consumo que permite extender la vida de las baterías de los dispositivos varios años. Además, LTE-M garantiza la transferencia de datos bidireccional hasta una distancia de 5 km a una velocidad de 1 Mbps, más que suficiente para la mayor parte de aplicaciones.
Narrow Band IoT (NB-IoT) es un estándar abierto de tecnología desarrollado por el 3GPP (3rd Generation Partnership Project) para aplicaciones IoT que alcanza hasta 20 km en áreas Rurales y 5Km en urbanas y dispone de una muy buena penetración dentro de edificios y sótanos a pesar de su bajo consumo. El estándar asegura 250 kbps en ambos sentidos de comunicación y soporta hasta 100.000 dispositivos por estación base. Tiene una latencia que oscila entre 1,6 y 10s y la comunicación es half duplex.
Está pensada para usarse en dispositivos de transmisión de datos de baja potencia y poco frecuentes. NB- IoT puede operar en el espectro GSM o bien utilizar un bloque de recursos no utilizados dentro de la banda de guardia de un operador de LTE (la banda por la que circulaban los mensajes SMS ahora en desuso).
Las Low-Power Wide-Area Networks son tecnologías de reciente creación. Como su nombre indica, consisten en redes inalámbricas diseñadas para mantener comunicación de largo alcance pero reduciendo significativamente el consumo y el coste de la transmisión. Soportan un elevado número de nodos por estación de ahí que dispongan de tasas de transmisión bajas o muy bajas, por lo que únicamente pueden aplicarse a procesos donde no se requieran volúmenes importantes de datos.
Las infraestructuras LPWAN, suelen usarse en aquellos casos en los que necesitamos realizar un tracking, una telemedida o emitir una orden remota eventualmente en puntos donde no hay cobertura móvil, pues su coste es todavía elevado. La ventaja respecto a las redes de telefonía móvil es que una vez tenemos desplegada la infraestructura no tenemos costes adicionales debido a la comunicación. Veamos las más importantes:
SigFox es una compañía francesa que aspira a convertirse en el primer proveedor global de redes IoT. Es un operador de telecomunicaciones especializado que dispone de su propia red ya presente en 33 países. En España el despliegue de antenas ha sido realizado por la compañía Cellnex, ex-Abertis Telecom.
El negocio de Sigfox, al igual que cualquier otro operador de red, se basa en el alquiler de la infraestructura que ha desplegado puesto que no fabrica chips de comunicaciones (aunque se encarga de homologar los diseñados por sus partners). Las aplicaciones más comunes de esta tecnología son las de telemetría donde no se requiera un control del dispositivo remoto (nivel de llenado de contenedores, nivel de depósitos, tracking, alumbrado público) y alarmas antirrobo.
LoRa es una tecnología inalámbrica de largo alcance que opera en las mismas frecuencias que SigFox. Está caracterizada por disponer de un buen ancho de banda, gran alcance, buen nivel de seguridad y gran resistencia a la interferencia.
A diferencia de SigFox:
Denominamos comunicaciones satelitales a la que se realizan por medio de las ondas electromagnéticas que se transmiten gracias a la presencia en el espacio de satélites artificiales situados en órbita alrededor de la Tierra. Debido a su gran altura, las transmisiones por satélite pueden cubrir una amplia área sobre la superficie de la tierra. Esto puede ser muy útil para los usuarios que se encuentran en zonas remotas o islas donde no hay cables submarinos en servicio.
Estas redes se utilizan cuando necesitamos realizar un tracking, una telemedida o emitir una orden a un dispositivo remoto en puntos donde no hay otro tipo de cobertura, pues su coste es todavía muy elevado y la velocidad de transmisión de datos es baja. También suelen usarse con frecuencia en zonas con fuerte riesgo a inundaciones, ciclones y huracanes para proteger los datos más sensibles debido a que las comunicaciones vía satélite funcionan cuando el resto de vías están fuera de servicio.
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