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La internet de las cosas (IoT) es una red mundial de ob jetos interconectados por medio de direcciones IP que permite la recolección e intercambio de datos, con arquitecturas de recursos limitados, pero que aumentan el rendimiento de la red de acuerdo con las aplicaciones y los requisitos del cliente final; considerando la heteroge neidad de los dispositivos y el tipo de información.
La gran cantidad de dispositivos en el mercado implica la utilización de recursos para: la interconectividad, el ren dimiento de las aplicaciones y, especialmente, la seguri dad; para tal fin Khan et al. (2012) proponen su desarrollo sobre el cifrado de peso ligero, con algoritmos de encriptación. Por su parte Sigfox garantiza este tipo de recursos, específicamente en lo que respecta a la seguridad de los datos (Lethaby, 2017).
Sigfox usa una tecnología patentada de estaciones bases que se encuentran desplegadas en varios países en las bandas de radio industriales, científicas y médicas (ISM) de sub-GHz sin licencia; los dispositivos finales se co nectan a estaciones base, utilizando la modulación BPSK en una banda ultra estrecha de 100 Hz, a una velocidad máxima de datos de 100 bps, con muy bajos niveles de frecuencia de ruido, consumo de energía bajo, alta sen sibilidad del receptor y diseño de antena y hardware de bajo costo (Sigfox, 2020b).
En la comunicación bidireccional de la red de Sigfox, la transmisión de enlace descendente se produce solo después de una transmisión de enlace ascendente. El número de mensajes en el enlace ascendente se limita a 140 mensajes por día, y en enlace descendente solo de cuatro por día; como no existe capacidad de acuse de recibo, se utiliza la diversidad de tiempo/frecuencia y la duplicación de la transmisión de tramas en tres momen tos, de forma simultánea, usando tres canales diferentes en el enlace ascendente, que facilitan la transmisión de forma aleatoria, para reducir la complejidad y los costos del dispositivo final (Mekki et al., 2018).
El futuro de la evolución de internet se orienta a la conectividad entre máquinas (M2M) de extremo a extremo (Khalifeh et al., 2019) con la visión de la comunicación todo para todos en tiempo real esto es posible mediante la incorporación de inteligencia en los dispositivos elec trónicos que pueden: a) tomar decisiones, b) intercambiar información, c) controlar procesos, d) invocar acciones y e) permitir servicios en tiempo real.
Todo esto es gracias a la interacción de componentes e intercambio de información por medio de la arquitectura de capas (Khan et al., 2012).
De acuerdo a la descripción de la arquitectura de varios tipos capas de Kumar y Mallick (2018), el sistema de red global de Sigfox se puede categorizar en el modelo de siete capas:
Capa de aplicación: recopila la información sobre las diversas tareas que deben realizarse según los requisi tos del cliente.
Capa de soporte y gestión: permite tener un control de gestión y seguridad (Soma Bandyopadhyay et al., 2011).
Capa de servicios: realiza las actividades que requiere el cliente.
Capa de comunicación: proporciona un enlace de comunicación entre la detección y capas de servicio (Mroue et al., 2018).
Capa de red: permite la transmisión y el procesamien to de la información con los dispositivos.
Capa de hardware: integra todos los componentes de hardware.
Capa de entorno: permite detectar los objetos o luga res bajo observación (Ruckebusch et al., 2018).
Una estructura de implementación de una red IoT, de acuerdo a la propuesta de estudio de Villaverde et al. (2012), requiere de: por una parte, un diseño de los sensores según las capacidades de procesamiento y de po tencia. En segundo lugar, agrupar los sensores de acuerdo a la cantidad de procesadores integrados, ya que una fracción importante de la potencia total debe permitir la cobertura, considerando factores tales como la distancia, la naturaleza de los obstáculos, la distorsión de la señal y el ruido.
De igual forma, la sección de un middleware (Razzaque et al., 2016) debe facilitar la compatibilidad e interoperatividad con todo tipo de protocolos y dispositivos, también buscar opciones para almacenar los flujos de datos de los sensores, los lenguajes de consulta y el so porte para generar alertas dinámicas y, finalmente, tener una capa de aplicación que incluya: a). La minería de datos, b.) El procesamiento de los datos, y c.) La visualización de las aplicaciones en una interfaz amigable (Sethi & Sarangi, 2017).
Para garantizar la comunicación en la red Sigfox, el emi sor se autentica mediante el identificador en la arquitec tura interna del sitio backend, mientras la autenticación del mensaje se realiza mediante un número de secuencia, lo que garantiza la seguridad del envió de los paquetes; por tanto, en el radioenlace no hay cifrado de los men sajes, esta tarea se asigna a la capa de aplicación TCP/IP, que garantiza que por lo menos una de las tres tramas lleguen a la estación base para una buena recepción de potencia (Rubio-Aparicio et al., 2019).
Sigfox utiliza la técnica del envío de bits de preámbulo, bits de sincronización de trama, bits de identificador de dispositivo, bits de carga útil, códigos de autenticación y también bits de secuencia de comprobación de trama (FCS) para los enlaces de radio; con esta técnica se eli mina la necesidad de banderas adicionales y, además, se reduce del tamaño de los paquetes, de forma que las tramas no son encriptadas, por tanto el cifrado lo realiza el propio cliente en la capa de aplicación (Margelis et al., 2015).
En un proceso de implementación de la infraestructura de IoT, la cobertura del nivel de señal recibido de poten cia y la relación señal/ruido son dos factores a considerar para obtener el mejor beneficio y rendimiento. Esto suce de cuando se aplican los métodos de planificación para medir la capacidad de la futura red; en este caso particular, Sigfox utiliza el método de recepción cooperativa para su funcionamiento, mediante el uso de tres pasarelas denominadas como técnica de diversidad espacial (Nashiruddin & Yusri, 2020).
Metodología de análisis
Identificación del tipo de investigación
El proceso de investigación se establece como una me todología de diseño experimental de campo (Hernández Sampieri et al., 2018), de tipo perceptual, cuyo alcance es de tipo exploratorio. Como el proceso se basa en la re colección de datos en campo, aplicando los instrumentos físicos para recolectar la mayor cantidad de información posible, el enfoque es de tipo cuantitativo.
Considerando los factores externos que pueden afectar el procesamiento de los mismos para precisar el evento de estudio, la investigación tiene un alcance descriptivo para diagnosticar e identificar el funcionamiento de los enla ces de radio en los procesos de transmisión y recepción de los datos (Hurtado, 2012).
Muestra utilizada
Para la determinación del tamaño del modelo, se proce dió al muestreo aleatorio simple, de tamaño fijo, que se estableció mediante la toma de muestras, cada dos mi nutos, con distancias de separación de un metro en línea recta con respecto a la estación base Sigfox. El tamaño de la muestra en cada punto se acotó a 100 datos, se con sideró una heterogeneidad del 50 %, un margen de error del 5 °% y un nivel de confianza del 95 %, para obtener en total 80 muestras de análisis en cada punto de medida (Mendenhall, Beaver & Beaver, 2015).
Instrumento
La captura de los datos se realizó con la apertura de un archivo log (en texto plano), en el dispositivo móvil en el cual se reciben los niveles de potencia y relación señal ruido durante los recorridos; la información se almacenó con valores separados por coma (CSV), para presentar los datos en forma de tabla y se realizó el filtro de estos para garantizar el valor promedio obtenido en cada punto de medición.
Procedimiento utilizando el modelo de capas
Para el desarrollo de la aplicación móvil, se tuvo en cuenta el modelo de capas, con el fin de hacer el se guimiento del almacenamiento de los datos y su proce samiento en tiempo real en un servidor remoto y en el backend, simultáneamente, mediante la lectura de las variables físicas se construyó la base de datos para el análisis y la toma de decisiones sobre los sensores con los cuales se actuó.
Se propone la siguiente metodología de trabajo tal como se observa en el flujograma de la figura 1, en el que se resaltan los pasos más relevantes del proceso.
Nota. El grafico representa el proceso metodológico distribuido en las eta pas, según el estudio del modelo de cinco capas.
Figura 1 Diagrama del proceso metodológico híbrido de cinco capas
Los componentes de software y hardware trabajan mutua mente para el procesamiento, el almacenamiento, la re cuperación y el análisis de los datos; las variables físicas de temperatura, humedad y voltaje son capturadas por los sensores y transformadas en formato binario mediante un convertidor análogo digital, que luego las pasa al transduc tor y traslada lo datos a un formato hexadecimal, con ayu da del microcontrolador Leonardo, que a su vez realiza el envío en tramas por medio de instrucciones de comandos AT sobre la interfaz de aire hacia la estación base.
Después se ejecuta el envío de los mensajes de las tramas de forma redundante (se envía tres veces en diferentes tiempos y frecuencias); cada uno de los mensajes son de 600 Hz, esto garantiza una eficiencia de 1Bit/s en un am plio espectro de 192 KHz de la banda de frecuencia de subida entre el rango de 920,704 Mhz a 920,896 MHz, el acceso al canal se realiza de forma aleatoria asincrónica no existe sincronismo entre el transmisor y el receptor de bido a que la estación base está todo el tiempo en modo de escucha.
Para entender el funcionamiento de la arquitectura de la red Sigfox, se propone una metodología híbrida con un modelo de cinco capas para describir de forma funcional el nivel de interacción entre las capas, como se detalla a continuación:
Capa de percepción. La conectividad al backend se inicia con la programación del dispositivo ter minal de radio Arduino Leonardo (AX-SFUS-1-01 M_000B_1BE9_01) por medio del código de identifi cación que trae consigo la tarjeta y accede al puerto de comunicación serial UART, que enlaza al módulo de radio comunicación Wisol RF, con un microcontrolador que se encuentra embebido internamente en la misma placa; desde allí se permite la salida de las tramas en formato hexadecimal desde la capa de con trol de acceso al medio (MAC) (Coman et al., 2019).
Después, se realiza la configuración del dispositivo físico en la base de datos del backend de Sigfox (figura 3) y allí se asigna: el tipo de dispositivo, el grupo al que pertene ce, el identificador de la red y el nombre del dispositivo que va a enviar los datos vía web para que sea recono cido por la estación base. En ese momento se ejecutan pruebas de conectividad por medio de comandos AT me diante el envío de tramas con tamaños de hasta 12 bytes con la aplicación Sigfox Estándar Module Config 1.
Capa de procesamiento. Esta capa tiene caracterís ticas especiales como la captura, el almacenamien to de información, análisis y procesamiento de los datos, para ofrecer varios tipos de servicios. Empie za con el proceso de lectura de las variables físicas como temperatura, humedad y voltaje, que son en viadas por ráfagas de forma redundante (de a tres tra mas consecutivas) desde el dispositivo IoT en forma simultánea. En esta etapa se comprueba el nivel de intensidad (RSSI) y la relación señal a ruido (SNR), dichos datos son guardados en formato Java Script Object Notation (JSON), con una conexión a la base de datos en MySQL en el backend (Maitra & Yelamarthi, 2019).
En esta etapa se realiza la captura de los datos me diante la selección de rutas que permitan verificar la existencia de línea de vista entre el nodo terminal IoT y la estación base; el análisis con el modelo de ca pas determina, en esta fase, los niveles de potencia de cobertura de la celda en el enlace de bajada, para comprobar que la lectura de las variables físicas no presenta dificultad en el momento del envío de la in formación al backend.
Capa de transporte. Como el backend solo admite la subida en datos ascendentes desde el dispositivo IoT, se crea un dominio remoto de prueba http://pruebasi-gfox.com/capturesigfox.php, para almacenar de forma paralela la información que llega bajo la estructura de comunicación middleware (Razzaque et al., 2016). En relación a las tareas de gestión de los datos, los servi cios de aplicaciones, mensajería, autenticación y ges tión de API (Li et al., 2015), permite la conectividad para un gran número de dispositivos entre los sensores y las capas de aplicaciones, de forma que se aseguren las comunicaciones efectivas entre el software desde el backend hacia la aplicación remota en el dispositi vo móvil.
Esta capa transfiere la información detectada por el sensor a la capa de procesamiento y viceversa (Ku mar & Mallick, 2018). La configuración se inicia en el backend mediante la opción 'callback', donde se selecciona la opción 'new', para escoger el modo de transmisión del canal URL con el tipo de formato DATA UPLINK, como se muestra en la figura 4.
De inmediato, se redirecciona a un dominio de prue ba, por ejemplo: http://pruebasigfox.com/capture-sigfox.php, donde está alojado el código que recibe y procesa los datos que van a ser enviados desde el backend usando el protocolo HTTP (Sigfox, 2020a), a través del método de comunicación POST, hacia la página web en formato JSON que contiene las va riables como:{data},{rssi},{snr} y {device} entre otras, como se observa en la figura 5.
Capa de negociación. Gestiona todo el sistema de dis positivos IoT donde se ubican las aplicaciones y regis tra la negociación y modelos de seguridad. Una vez establecida la configuración y comunicación con el backend y el dispositivo IoT, por medio de un script en php, se realiza la captura y comprobación (chequeo de seguridad e integridad de los datos) de la informa ción enviada desde el backend; los datos se almace nan con las mismas características y los parámetros en el dominio de prueba (Hattab & Cabric, 2018).
Después se inicia el acceso remoto, mediante una aplicación desde el dispositivo móvil que captura y grafica en tiempo real los paquetes que viajan en la capa tres del protocolo TCP/IP, con el fin de realizar el monitoreo del estado del enlace de bajada, en lo que respecta al nivel de potencia recibido y la relación señal a ruido, como se muestra en la figura 6 (Mroue et al., 2018).
Capa de aplicación. Es la parte del programa (ver fi gura 6) que se encarga de interactuar con el usuario llamado frontend, por medio del cual se accede con todas las tecnologías de diseño y desarrollo web que se ejecutan en el navegador; después de haber ve rificado la conexión en la web (Li et al., 2015), se ejecuta la decodificación de los valores de hexadeci mal a decimal de los datos que envía el backend (ver figura 7), se almacenan en una base datos llamada Sigfox, en el dominio remoto de prueba que contiene una tabla llamada 'sensores' con los valores obteni dos desde las variable físicas, y desde allí se envía la información a la aplicación móvil, en formato de texto plano, que debe ser procesada y filtrada para comprobar los valores de las variables y los niveles de potencia del enlace de baja.
Nota. Modelo básico de estructura funcional de la interconexión de red Sigfox.
Figura 2 Sistema de internet de las cosas sobre el backend Sigfox
Nota.https://backend.sigfox.com/group/5c940e95e833d93a9804137b/devi ce-types
Figura 3 Sistema de internet de las cosas sobre el backend Sigfox
Nota. Proceso del encapsulamiento de las variables por el método POST a través de HTTP.
Figura 5 Formato de captura de paquetes e instrucciones que recibe el dominio remoto
Nota. Detalle de los datos niveles de potencia SNR y cantidad de tramas recibidas en la estación base.
Figura 6 Aplicación que conecta con el backend Sigfox
Una síntesis del proceso de funcionamiento del mode lo de cinco capas se ve reflejado en la figura 8, con el fin de entender de forma sistémica el proceso dinámico del proyecto.
La secuencia dinámica se resume así:
Se crea el dispositivo en la plataforma Cliente Servidor.
Se ejecutan pruebas de conectividad local, comandos| AT.
Se configura el dispositivo IoT y se captura la informa ción (lectura de variables, almacenamiento, análisis y procesamiento).
Se envía simultáneamente la información del backend al dominio remoto
El middleware gestiona datos, autentica el servicio de aplicaciones, mensajería y gestión de la app y tam bién permite conexión con la capa de aplicación.
Se visualiza la información en la aplicación móvil
Resultados y discusiones
Por medio del análisis de modelo de capas, es más fácil entender el funcionamiento de la plataforma, gracias a la comprensión del proceso de comunicación entre capas y la flexibilidad para trabajar con los protocolos a nivel de middleware.
En la figura 9 se observa el ejemplo de una muestra alea toria con los resultados para una ruta de mediciones de las variables de temperatura, humedad y voltaje, obteni das en exteriores, para evitar, en lo posible, obstrucciones en la línea de vista. La toma de datos se realiza en cada metro hasta llegar a 80 metros (Miller, 2017).
En la figura 10, desde el dispositivo IoT se observa que el nivel de intensidad de potencia recibido (RSSI) no varía más allá de los -80 dBm, mientras la relación señal ruido (SNR) tiene un promedio de 30 dB, debido a que la sen sibilidad del radio es buena y tiene un valor óptimo de -128 dBm (Lavric et al., 2019).
Nota. Muestreo de las variables físicas tomado desde los sensores y niveles de potencia de recepción en equipo terminal.
Figura 10 Ejemplo de medidas de niveles de potencia y relación señal a ruido
En rangos de distancia de 5 a 11 m, 42 a 45 m y 72 a 76 m no existen variaciones significativas del RSSI y el SNR, a pesar de los obstáculos presentes en el momento de rea lizar las mediciones, es decir, no se afectaron los resulta dos de los datos obtenidos desde los sensores.
Existe la posibilidad de desarrollar aplicaciones de forma amigable, que permiten una configuración con código binario independiente del hardware para simplificar el funcionamiento de la arquitectura IoT y la programación modular en bloques funcionales, utilizando protocolos de comunicación IoT en la capa de aplicación, como es el caso del protocolo http (Di Gennaro et al., 2019).
De acuerdo a la estructura de funcionamiento de la MAC, como no existe ninguna técnica de señalización entre la estación base y el dispositivo para controlar el flujo de mensajes, las tramas reciben una carga útil des de la capa de aplicación, que segmenta las de transmi sión a la interfaz de radio en donde se añade un número de secuencia a cada una para guiar la recepción y faci litar la captura por la estación base; todo esto es posible debido a que la potencia de transmisión de la señal sigfox se concentra en un ancho de banda estrecho, evi tando las interferencias.
En el proceso de la codificación, se pudo verificar que las tramas que se generan en los dispositivos y se encapsulan en formato HEX, facilitando la convivencia con diferentes plataformas de desarrollo, en lo que respecta a la mani pulación del formato de datos.
Los niveles de potencia de recepción en los dispositivos IoT son buenos en ambientes indoor con obstáculos, pues se mantiene un margen de potencia cerca al nivel de um bral de sensibilidad (Aernouts et al., 2018), como se ob serva en la figura 11.
Nota. Ejemplo de captura de muestras durante cinco minutos para diferentes distancias.
Figura 11 Medidas de potencia sin línea de vista de acuerdo a la distancia
Es evidente que existe una estabilidad de -100 dBm como nivel mínimo y de -128 dBm para un nivel máximo en los enlaces de comunicaciones, pues se garantiza el um bral del nivel de potencia para el envío de los grupos de tres tramas simultáneamente, sin que se pierda la infor mación, es decir, existe una entrega segura manteniendo los niveles de potencia para este tipo de dispositivos, que están diseñados para redes de área amplia para baja po tencia (LPWAN) (Ruckebusch et al., 2018).
Como los dispositivos terminales trabajan con baja po tencia y las antenas son de baja ganancia, a partir de los 50 m, la señal decae por efecto del logaritmo de la distancia bajo condiciones sin línea de vista; sin embar go, los niveles críticos de potencia del sistema de radio recomendados por el fabricante, en lo que respecta a la sensibilidad, es de -128 dBm, asegurando una velocidad de 600 bps. Por medio de las técnicas de modulación de GFSK es posible mantener la conectividad (Lauridsen et al., 2017) de los enlaces descendentes desde la estación base hacia los dispositivos terminales a través del mode lo de cinco capas.
En la figura 12 se comprueban las mediciones de la po tencia promedio desde diferentes ubicaciones, realizan do la toma de datos cada dos minutos y evitando, en lo posible, los obstáculos para determinar los requisitos de conectividad desde la capa de procesamiento, y garantizando que por lo menos una de las tres tramas llegue a la estación base sin sobrepasar los niveles de recep ción de potencia (Ribeiro et al., 2018). En esta nego ciación con la red, no es necesaria la autenticación de mensajes del dispositivo que los transmite en la estación base, sin esperar una respuesta de seguridad. La capa físi ca y de enlace son las encargadas de evitar la interferen cia con el dispositivo receptor y mantener la estabilidad del enlace de radio en la comunicación.
Conclusiones
En el análisis de interoperatividad del modelo de cinco capas de Sigfox, en la implementación y configuración de la plataforma para consultar, acceder, gestionar y admi nistrar los datos desde y hacia los dispositivos, se observa que en la capa de transporte es donde funciona la tecno logía middleware como un entorno ubicuo que facilita la comunicación para diferentes tipos de plataformas y pro tocolos al momento de gestionar aplicaciones robustas.
La capa de negociación simplifica el funcionamiento de las redes IP con sistemas heterogéneos, cuando se imple menta la supervisión y control. Para el caso de estudio se implementó un sistema de hosting temporal remoto para las pruebas, debido a que la plataforma Sigfox no garan tiza el envío de datos en enlaces descendentes de forma continua y masiva para realizar control en tiempo real; los mensajes se reenvían mediante el callback a servicios externos, cuando sucede un evento concreto, con el fin de generar estadísticas, control o síntomas de alarmas en tiempo real, lo cual hace innecesario el uso de una pasa rela o Gateway.
El trabajo permitió hacer una descripción detallada de las características del modelo de capas de funcionamiento de la infraestructura funcional de IoT de la red de Sigfox, para comprender la metodología y funcionamiento del etiquetado de la información a través de las tramas que se envían desde un dispositivo terminal IoT a una estación radio base de prueba, mediante la adaptación de la trans misión de mensajes cortos en una banda ultra estrecha que no supera 1 Khz; esto asegura una muy buena rela ción de potencia y ruido de recepción con tecnología de filtros de recepción estrechos.
Se realizó la evaluación de la capa de enlace del modelo TCP/IP por medio del análisis de las ráfagas de las tramas redundantes, en términos de las medidas de potencia y relación de señal ruido, y que estas presentan en el pro ceso de almacenamiento y procesamiento de los datos desde diferentes distancias, con y sin líneas de vista entre el dispositivo IoT y la estación base transmisora, com probando que los enlaces se mantienen estables hasta la sensibilidad máxima del piso de ruido que soporta el dispositivo.
Una ventaja importante de la tecnología Sigfox es el uso del mecanismo de control en el enlace descendente que minimiza el consumo de energía y mantiene una ventana de recepción de 50 seg., para poder recibir el mensaje gracias a la técnica de diversidad temporal, enviando el mensaje 3 veces de forma simultánea bajo condiciones de interferencias en el medio.
Por otra parte, la tecnología Sigfox tiene un rendimiento bueno, debido a que no requiere de la gran transferencia de datos para la transmisión de mensajes cortos en los enlaces ascendentes, situación que no ocurre con los en laces descendentes, para los cuales se realizó el estudio.
Una desventaja es el acceso al medio sin ningún tipo de control, lo cual lleva a que se produzcan pérdidas de paquetes por las colisiones entre los nodos, cuando el tamaño de la red vaya creciendo, porque no tiene un método de detección previa del canal libre; esto hace que todos los dispositivos intenten competir por encon trar un canal libre, pero los dispositivos pueden acceder de forma estocástica para tomar el canal en el enlace ascendente o quedar en espera hasta que encuentre dis ponibilidad de este.
Debido a que la tecnología de banda ultra estrecha es muy resistente al ruido, permite una baja tasa de errores de comunicación y evita la pérdida de paquetes, porque no se superan los niveles de potencia de ruido de sensibilidad de los equipos de radio comunicación, haciendo que los enlaces sean estables como se compro bó en las figuras 9 y 10. Esto garantiza un rendimiento en RF en los modos de transmisión y recepción.
A futuro, se requiere realizar más pruebas con más dis positivos para analizar el comportamiento del canal y determinar la cobertura real de una celda de prueba con varias campañas de medida; también es necesario probar con otros protocolos a nivel de software destinados a la gestión de aplicaciones máquina a máquina (M2M) como son MQTT y CoAP; en el caso de la seguridad, se deben verificar las vulnerabilidades en cuanto a la seguridad de los protocolos para la tecnología Sigfox, debido a que es una tecnología simple que no usa códigos ni claves com plejas y que deja a disposición de los usuarios finales la utilización de la encriptación en las tramas, para garan tizar la seguridad en la capa de aplicación; sin embargo, en la capa de enlace se pueden presentar problemas de interferencia de RF ilegal cuando existan emisiones de equipos que generen alta potencia de interferencia y bloqueen las comunicaciones inalámbricas y se pierda la conectividad.
