Red Pública, Abierta y Gratuita de Internet de las Cosas en la Ciudad de … · 2016-11-27 · WAN...

Resumen--Se presenta una propuesta para la instalación de

una red de área amplia y baja potencia, con infraestructura

simple y robusta, para proporcionar en forma pública y gratuita,

el servicio de Internet de las Cosas en la ciudad de Coatzacoalcos,

Veracruz. Con esta red, sus habitantes contaran con el soporte

para realizar procesos de monitoreo y control de equipos y

sistemas a gran escala, con el uso del estándar abierto LoRaWAN

y el apoyo técnico de la comunidad global The Things Network.

Los interesados en utilizar la red solo necesitan desarrollar los

nodos de campo de sus aplicaciones, sin necesidad de pagar

servicios de telefonía móvil o WiFi.

Palabras clave— Internet de las Cosas, Red de Área Amplia,

Sistema Abierto, Red de Comunicación.

I. INTRODUCCIÓN

OATZACOALCOS, una de las ciudades más importantes

de Veracruz y uno de los principales puertos de México,

se distingue como una zona económica privilegiada,

identificada con actividades petroleras y comerciales. La

ciudad es un centro regional de trascendencia industrial,

comercial y de servicios, con un alto potencial para

constituirse como asentamiento de empresas medianas y

pequeñas, así como de negocios de carácter internacional.

Como referente, el Puerto de Coatzacoalcos está en continuo

crecimiento, desarrollando nueva infraestructura portuaria,

para responder a las necesidades de crecimiento de la región

[1].

Para coadyuvar a este proceso, es necesario mantener una

dinámica social y económica en varios frentes, con la

colaboración de todos los involucrados. Uno de los elementos

que contribuye a este objetivo es el servicio de

telecomunicaciones, ya que la conectividad se ha convertido

en un factor básico del bienestar humano. Además de

productos como telefonía celular, televisión de paga e Internet,

algunas compañías ofrecen servicios especializados, como el

A. Mora Campos es con el Instituto Tecnológico de Querétaro, Querétaro,

México (e-mail: [email protected]).

E. Durán Castellanos es con el Instituto Tecnológico de Querétaro,

Querétaro, México (e-mail: [email protected]).

J. I. Vega González es con el Instituto Tecnológico de Querétaro,


M. D. C. Mora Sánchez, es con el Instituto Tecnológico de Querétaro,


de Internet de las Cosas (IoT), ya sea con su infraestructura

general o con una red exclusiva.

En otras ciudades y países, el IoT se ha convertido en un

símbolo de modernidad y un detonador del desarrollo regional,

ya que motiva el florecimiento de la innovación, el

emprendimiento y la creatividad. Para su mejor

aprovechamiento, es necesario que este servicio no quede en

manos de las grandes empresas, sino que la sociedad también

participe de la llamada nueva revolución tecnológica. Una de

las primeras acciones, es fomentar el establecimiento de una

red de Internet de las Cosas en ciudades progresistas como

Coatzacoalcos, para proporcionar a la población un medio de

comunicación público, abierto y gratuito que permita el auge

de negocios y aplicaciones útiles, incluyendo el desarrollo de

soluciones a la problemática local y regional.

II. ESTUDIO DE LA RED DE INTERNET DE LAS COSAS

El loT es un concepto que se enfoca a la interconexión

digital de objetos cotidianos a Internet. El término fue

utilizado por primera vez en 1999 por Kevin Ashton, mientras

trabajaba en el Centro de Medios del Instituto Tecnológico de

Massachusetts, para representar el concepto de computadoras

y máquinas con sensores, las cuales se conectan a Internet para

reportar su estado y aceptar comandos de control [2].

A. Tecnologías

Para atender las primeras aplicaciones de IoT, el mercado

presenta diversas tecnologías de comunicación, clasificadas en

función de su confiabilidad, cobertura, consumo de energía,

escalabilidad, campo de acción, protocolos y costo.

Tecnologías como WiFi, Bluetooth BLE, ZigBee, 6LowPAN ,

Z-Wave y telefonía celular 2G y 3G, son utilizadas con éxito

en aplicaciones de domótica, dispositivos weareables,

monitoreo y control industrial.

Existe un conjunto de aplicaciones de IoT que es poco

considerado por las tecnologías anteriores, debido

principalmente a la necesidad de cubrir una gran área, con

prestaciones aceptables de confiabilidad, seguridad, consumo

de energía, penetración de la señal en edificios y bajo costo.

La industria está dando solución en dos vertientes. Por un lado

están las empresas de telefonía celular y los proveedores de

Internet, los cuales se están adecuando para convertirse en los

competidores a vencer de las compañías de IoT, con sus

Red Pública, Abierta y Gratuita de Internet de

las Cosas en la Ciudad de Coatzacoalcos,

Veracruz A. Mora-Campos, E. Durán-Castellanos, J. I. Vega-González, M. Del C. Mora-Sánchez.

C

REVISTA DE CIENCIA E INGENIERÍA DEL INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE COATZACOALCOS 375

Año 3, No. 3, Enero-Diciembre 2016 pp. 375-379. ISSN: 2395-907X

nuevos estándares: LTE Cat M1 y LTE Cat NB1 en celulares

[3] y 802.11ah en WiFi [4]. En la otra dirección están las

empresas que ofrecen redes WAN de baja potencia (LP-

WAN).

Las LP-WAN son tecnologías emergentes de bajo costo y

mínimo consumo de energía, con alta escalabilidad y

conectividad, utilizadas en escenarios de IoT, donde se

necesita cumplir con requerimientos como alcance de decenas

de kilómetros y alimentación a batería en los nodos, utilizando

una infraestructura simple y robusta [5]-[6]. Tan amplio es el

segmento para las LP-WAN, que varias empresas y alianzas

con estándares propios, buscan dominar el mercado con redes

de IoT públicas y privadas (tabla I) [7].

TABLA I

TECNOLOGÍAS LP-WAN APLICADAS A IOT

Estándar SigFox LoRaWAN Ingenu

RPMA

Banda de

frecuencias

868/915

MHz

433/868/780/915

MHz

2.4 GHz

Alcance 50 km rural

10 km urbano

15 km rural

5 km urbano

> 500 km LoS

Tamaño paquete

de datos

12 bytes Definido por

usuario

6 a 10 kBytes

Dispositivos por

punto de acceso

1 M Uplink >1M,

Downlink <100k

384,000 por

sector

Topología Estrella Estrella sobre

estrella

Estrella

Árbol

SIGFOX es el nombre de una red y de un proveedor de

IoT, dedicado a complementar los sistemas de conectividad

tradicionales, garantizando un nivel de servicio y confiabilidad

a escala internacional, con un costo del servicio de 1 dólar por

nodo por año por usuario. Utilizando una red de comunicación

de protocolo abierto, SIGFOX ha instalado más de 7 millones

de sus productos en 24 países. Uno de los últimos es México,

donde sus operadores planean concluir en 2016 la instalación

de una red en su capital, con enfoque inicial a la medición

remota del consumo residencial de agua, gas y energía

eléctrica [8].

LoRaWAN es el nombre de una alianza de más de 300

miembros empresariales y un protocolo de estándar abierto de

redes LP-WAN [9]. Como ejemplos de la actividad de sus

asociados, la compañía inglesa Senet, busca cubrir 100

ciudades de Estados Unidos con redes LoRa públicas; la

corporación Netzikon construye y opera redes con este

protocolo en varias zonas metropolitanas de Alemania; la

operadora holandesa de telefonía fija y móvil KPN instaló en

poco tiempo una red LoRa en su país, con 1.5 millones de

dispositivos conectados, por lo que Holanda es el primer país

en tener una red nacional para aplicaciones de IoT; la firma

rumana FlashNet, tiene clientes en 28 países de Europa, Asia y

América, gracias a su producto inteliLIGHT, un controlador

de alumbrado público con tecnología LoRa. A la fecha, existen

redes LoRaWAN públicas y privadas en más de 70 países.

RPMA (Random Phase Multiple Access), es una tecnología

de red de la empresa Ingenu, diseñada para comunicación

inalámbrica máquina a máquina (M2M) en el IoT. Su objetivo

de diseño es garantizar que cada dispositivo conectado sea

funcional por décadas, gracias a sus características de

escalabilidad, robustez y duración de las baterías [10]. Ingenu

está presente en 52 países, desde la operación y control de los

equipos petroleros en Nigeria, hasta la participación en

servicios de Smart City y Smart Grid en 30 ciudades de

Estados Unidos, cubriendo 100,000 millas cuadradas con 600

puntos de acceso [11].

B. Descripción de la red

El proceso para instalar una red de IoT en la ciudad de

Coatzacoalcos inicia con la descripción de sus características,

para continuar con la selección del estándar y el soporte

tecnológico. Una vez puesta en servicio, es necesario

promover su utilización entre la población, a partir de una

etapa de capacitación para el desarrollo de aplicaciones y

fabricación de nodos.

1) Características de la red: Las características que se

buscan en la red de IoT para la ciudad de Coatzacoalcos son:

• Arquitectura y estándar abiertos.

• Bajo costo de infraestructura y mantenimiento.

• Tasa cero en los servicios de conectividad para los usuarios.

• Facilidad y sencillez en el desarrollo de aplicaciones.

• Soporte de aplicaciones domésticas, comerciales e

industriales, en ambientes urbanos y marítimos.

• Disponibilidad de respaldo tecnológico.

• Alto nivel de interoperabilidad y seguridad.

• Capacidad de desarrollo de redes públicas y privadas.

• Uso de una tecnología sólida y de alto impacto.

2) Selección de la tecnología: Una firma independiente, líder

en consultoría e investigación de mercado para la industria de

las telecomunicaciones, la empresa Signals and Systems

Telecom, liberó en octubre del 2015 el documento The M2M

& IoT Ecosystem: 2015 – 2030 – Opportunities, Challenges,

Strategies, Industry Verticals & Forecasts, que incluye las

predicciones de conectividad de las redes M2M e IoT por

tecnología, del 2015 al 2030 [12]. En el documento se muestra

la fortaleza actual y la consolidación en los próximos años de

la tecnología celular 2G y 3G en aplicaciones M2M e IoT, así

como el paso de la estafeta celular a la tecnología LTE para

IoT (5G) a largo plazo. Lo más interesante del estudio, es el

pronóstico del crecimiento exponencial de las tecnologías

WAN de baja potencia, hasta lograr el liderazgo en la

conectividad de los ecosistemas M2M e IoT, a partir del 2021.

Esto indica que una buena opción para la red IoT pretendida,

es el uso de la tecnología LP-WAN.

3) Selección del estándar: Para la selección del estándar, en

la tabla II se realiza una comparación de las tecnologías LP-

WAN más destacadas, de acuerdo al nivel de cumplimiento de

las características y requisitos que se necesitan en la red IoT

para la ciudad de Coatzacoalcos. Un calificación de 3 indica

que el protocolo cumple adecuadamente con el requisito; un

calificación 0 muestra un cumplimiento nulo. Los resultados



muestran que todos los estándares de red LP-WAN

comparados son propios para instalar una red de IoT.

4) Apoyo tecnológico para los usuarios: A la par del soporte

para instalar una red pública de IoT, también se necesita

disponer de los elementos tecnológicos para que los usuarios

construyan sus aplicaciones, léase sus nodos de campo

conectados a la red.

TABLA II

COMPARACIÓN DE LOS ESTÁNDARES LP-WAN MÁS DESTACADOS

Estándar SigFox LoRaWAN RPMA

Arquitectura y estándar abierto 1 3 1

Bajo costo infraestructura 3 2 2

Cero costo conectividad 3 3 3

Facilidad y sencillez 3 2 3

Soporte de aplicaciones 3 3 3

Respaldo tecnológico 3 3 3

Interoperabilidad y seguridad 3 3 3

Redes públicas y privadas 2 3 3

Consolidación en el mercado 3 3 3

Total 24 25 24

SigFox e Ingenu ofrecen kits demostrativos y de

evaluación, junto con módulos de comunicación de diversos

fabricantes, con los requisitos de pagar una suscripción y

encontrarse en un área de cobertura de su red [13], o rentar un

punto de acceso para que el usuario establezca su propia red

local [14]. Otra alternativa es convertirse en socio comercial

de cualquiera de estas empresas, para la venta y desarrollo de

aplicaciones de IoT con su tecnología.

LoRaWAN no ofrece directamente productos de hardware

o software para los desarrolladores, pero si certifica y

promueve los productos y servicios de los miembros de su

alianza [15]. Sus beneficios de asociación, junto con la alta

calidad tecnológica de su estándar, ha motivado a más de 300

empresas de telecomunicaciones, fabricantes de equipos,

integradores de sistemas, emprendedores e instituciones, a

inscribirse como miembros. La apertura de esta alianza, al

permitir que sus asociados adopten cualquier modelo de

negocios, ha propiciado que uno de sus miembros, The Things

Network (TTN), promueva el desarrollo de una red global de

IoT pública, abierta y gratuita, construida por los usuarios para

los usuarios [16]. La propuesta de TTN representa una de las

mejores maneras de desplegar el IoT en la ciudad de

Coatzacoalcos.

C. Resultados

La alternativa factible para tener el servicio de IoT público,

de estándar abierto y con cero costo de conectividad, es

instalar una red LP-WAN, concretamente una red LoRaWAN,

con el apoyo de la organización The Things Network.

La TTN es una comunidad mundial con sede en Holanda,

dirigida por un equipo de 15 miembros, incluyendo al

iniciador Wienke Giezeman y al líder tecnológico Johan

Stokking. Su lema, Building a global internet of things

network together, refleja la iniciativa de construir una red de

IoT que abarque todas las ciudades, regiones y países. El

interés de este grupo es que más miembros se afilien y formen

comunidades locales, con el convenio de instalar puertas de

acceso (gateways) de LoRaWAN y promover su plataforma.

Para completar el ciclo de conectividad, TTN proporciona

gratuitamente el apoyo de servidores en la nube y el uso del

software de manejo de aplicaciones. Actualmente cuenta con

6000 miembros y más de 175 comunidades (redes IoT

LoRaWAN-TTN), distribuidas en 70 países (fig. 1) [16].

Fig. 1. Comunidades TTN alrededor del mundo.

En el nivel superior de una red LoRaWAN-TTN (fig. 2)

[17], se distinguen los nodos de campo N, las puertas de

acceso G (gateways) y el soporte del servidor TTN para la

aplicación del usuario.

Fig. 2. Nivel superior de la red LoRaWAN-TTN.

Los nodos son módulos electrónicos que adquieren datos o

realizan acciones, por medio de la transmisión y recepción de

pequeños mensajes. Los usuarios pueden fabricar sus nodos o

adquirir los que promueve TTN (fig. 3) [18].



Fig. 3. Nodo del grupo SODAQ, compatible con Arduino y la red TTN.

Los gateways son equipos conectados a Internet, que

reciben los mensajes de los nodos para dirigirlos a los

servidores en la nube. De forma similar, estas puertas de

acceso reciben mensajes de los servidores para enviarlos a un

nodo específico. En el 2015, TTN obtuvo los recursos

suficientes para desarrollar su propio gateway, al participar en

la plataforma de recaudación de fondos Kickstarter. El equipo

será distribuido a partir de noviembre de 2016, a un costo

menor al de los disponibles en el mercado (fig. 4) [19].

Fig. 4. Gateway de la comunidad TTN.

El servidor TTN realiza el rutado de los mensajes entre los

nodos y la aplicación del usuario (A). En las redes públicas

TTN participan en este proceso cuatro componentes en forma

dínámica: Gateways (G), Routers (R), Brokers (B) y Handlers

(H) (fig. 5) [20].

Fig. 5. Componentes de una red pública TTN.

Las aplicaciones se conectan a los servidores

proporcionados por TTN, para recibir y enviar mensajes a los

nodos, lo que las hace solo de interés y responsabilidad de los

usuarios.

La propuesta para la red LoRaWAN de la ciudad de

Coatzacoalcos es formar una comunidad TTN local e instalar y

activar 9 gateways de 915 MHz. Las puertas de acceso pueden

abarcar las zonas metropolitana y portuaria (fig. 6),

considerando radios de cobertura de 5 km. Las aplicaciones

pueden ser similares a las realizadas por la comunidad TTN en

el puerto de Rotterdam [21]: identificación y localización de

pequeñas embarcaciones, medición de la ocupación del

muelle, monitoreo de sondas de profundidad, detección de

niveles de agua, procesos de mantenimiento, medición de la

calidad del aire y del nivel de arena, etc. Para capacitar a los

interesados en el uso de la red, se puede promover que

estudiantes en servicio social ofrezcan cursos y talleres de

desarrollo de aplicaciones y fabricación de nodos.

Fig. 6. Ubicación de 9 gateways en la zona metropolitana y portuaria de

Coatzacoalcos, Veracruz.

D. Conclusiones

Se presenta el estudio para la instalación de una red de IoT

en la ciudad de Coatzacoalcos. Se exponen los argumentos

para la selección de la tecnología, el estándar y el apoyo

tecnológico para los usuarios. Se muestra que las redes LP-

WAN tienen el pronóstico de ser la tecnología dominante en

conectividad de IoT. Se selecciona el protocolo LoRaWAN,

por la flexibilidad y apertura del modelo de su alianza. Uno de

sus miembros, la fundación The Things Network brinda, sin

ánimo de lucro, el soporte para la creación de redes de IoT en

forma pública, abierta y gratuita [22].

Para tener éxito en la instalación y operación de una red

LoRaWAN-TTN, se necesita formar un grupo de trabajo

formado por personas de los medios académico, comercial,

industrial y social, interesadas en contribuir a desarrollar un

mecanismo de conectividad que apoye la innovación, la

creación de negocios y la búsqueda de soluciones a los

problemas que presenta la ciudad y puerto de Coatzacoalcos.

III. REFERENCIAS

[1] O. Noval. Administración integral del puerto de Coatzacoalcos.

Bienvenido a nuestro puerto. [En línea]. Disponible: http://www.puerto

coatzacoalcos.com.mx/quienes-somos

[2] D. Norris, The Internet of Things, USA: Mc Graw Hill Education, 2015,

p. 1.

[3] D. Flore. (2016). 3GPP Standards for the Internet-of-Things. [En línea].

Disponible: http://www.3gpp.org/news-events/3gpp-news/1766-iot_

progress

[4] LinkLabs. (2015). Examining The Future Of WiFi: 802.11ah HaLow,

802.11ad (& Others). [En línea]. Disponible: http://www.link-

labs.com/future-of-wifi-802-11ah-802-11ad/

[5] R. Quinnell. (2016). On the Future of LP-WAN. [En línea]. Disponible:

http://www.eetimes.com/author.asp?section_id=36&doc_id=1328632

[6] Microchip Inc. (2015). Long range meets low power. [En línea].

Disponible: http://ww1.microchip.com/downloads/en/Market_Commu

nication/MicroSolutions%20NovDec%202015.pdf

[7] R. Quinnell. (2015). Low-Power Wide-Area Networking Options for

IoT. [En línea]. Disponible: http://www.edn.com/design/systems-design

/4440343/Low-power-wide-area-networking-alternatives-for-the-IoT

[8] SIGFOX. (2016). SIGFOX Extends its Internet of Things Network to

Mexico. [En línea]. Disponible: https://www.sigfox.com/en/press/sigfox

-extends -its-internet-of-things-network-to-mexico



[9] LoRa Alliance. (2016). Wide Area Network for IoT. [En línea].

Disponible: https://www.lora-alliance.org/

[10] Ingenu. (2016). RPMA Technology. [En línea]. Disponible:

http://www.ingenu.com/technology/rpma/

[11] Ingenu. (2016). IOT Connectivity That Works. [En línea]. Disponible:

http://www.ingenu.com/

[12] Signals and Systems Telecom. (2015). The M2M & IoT Ecosystem:

2015 – 2030 – Opportunities, Challenges, Strategies, Industry Verticals

& Forecasts. [En línea]. Disponible: http://www.snstelecom.com/m2m

[13] SIGFOX. (2016). We power the IoT with the simplest communication

solutions. [En línea]. Disponible: https://www.sigfox.com/

[14] Ingenu. (2016). Hardware. [En línea]. Disponible:

http://www.ingenu.com/get-started/hardware/

[15] LoRa Alliance. (2016). About the Lora Alliance. [En línea]. Disponible:

https://www.lora-alliance.org/The-Alliance/About-the-Alliance

[16] The Things Network. (2016). Building a global internet of things

network together. [En línea]. Disponible: https://www.thethingsnetwork.

org/

[17] The Things Network. (2016). The Things Network WiKi: Home. [En

línea]. Disponible: https://www.thethingsnetwork.org/wiki/Home

[18] SODAQ. (2016). SODAQ ONE: the LoRa® IoT development board.

[En línea]. Disponible: https://www.kickstarter.com/projects/sodaq/

loraone-the-lora-iot-development-board

[19] The Things Network. (2016). The Things Network Shop. [En línea].

Disponible: https://shop.thethingsnetwork.com/index.php/product/the-

things-gateway/

[20] The Things Network. (2016). The Things Network WiKi:

Backend/Overview. [En línea]. Disponible: https://www.thethings

network. org/wiki/Backend/Overview

[21] The port of Rotterdam. (2015). Open LoRa network launched. [En

línea]. Disponible: https://www.portofrotterdam.com/en/news-and-

press-releases/open-lora-network-launched

1. A. Mora, J. L. Sánchez, J. Sánchez, H. Chagolla y M. D. C. Mora, “Red

pública, abierta y gratuita de Internet de las Cosas en la ciudad de

Querétaro”, presentado en el Congreso Internacional en Tecnologías de

la Información y Comunicación 2016, Querétaro, México, Nov. 2016.

IV. BIOGRAFÍAS

Armando Mora Campos es Ingeniero Industrial en

Eléctrica por el Instituto Tecnológico de Querétaro

(1986), Maestro en Ingeniería Eléctrica con

especialidad en Instrumentación y Sistemas Digitales

por la Facultad de Ingeniería Mecánica, Eléctrica y

Electrónica de la Universidad de Guanajuato (1991)

y Doctor en Diseño de Sistemas Digitales por la

Universidad Politécnica de Valencia (2008). Ha

realizado investigaciones y publicaciones sobre

procesamiento de video, redes de control industrial y sistemas de ahorro de

energía, con énfasis a la protección de la propiedad intelectual. Actualmente

es profesor de tiempo completo en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y

Electrónica del Instituto Tecnológico de Querétaro.

Martha Erika Durán Castellanos es Ingeniera

Industrial en Eléctrica por el Instituto Tecnológico de

Querétaro (1987), con Diplomado en

Microcontroladores UNAM (1990) y Diplomado en

Competencias CODIOTECH (2013). Ha dirigido tesis

en las áreas de Instrumentación y Control y Sistemas

Embebidos. Ha participado como asesora en

concursos de Creatividad de la DGEST, en fases local

y regional. Actualmente es profesora de tiempo

completo en el Instituto Tecnológico de Querétaro, en el Departamento de

Ing. Eléctrica y Electrónica.

José Idilberto Vega González es Ingeniero

Industrial en Eléctrica por el Instituto Tecnológico de

Querétaro (1987), candidato a grado de Maestro en

Ingeniería Electrónica con especialidad en Control

Automático en el Centro Nacional de Investigación y

Desarrollo Tecnológico (CENIDET) del TecNM. Actualmente es profesor de

tiempo completo en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica del

Instituto Tecnológico de Querétaro.

Ma. Del Carmen Mora Sánchez es estudiante del

noveno semestre de Ingeniería Eléctrica en el Instituto

Tecnológico de Querétaro. Sus áreas de interés son la

generación de electricidad con biogás y la gestión de la

energía Eléctrica.



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