IFTS 14 2025 TS SEIC Protocolo de IoT

🌐 LPWAN (Low Power Wide Area Network)

Es una categoría general de tecnologías de red diseñadas para comunicaciones a larga distancia con bajo consumo energético y bajo ancho de banda.

• Alcance: hasta 10-20 km en zonas rurales.

• Bajo consumo: ideal para dispositivos alimentados con batería.

• Bajas tasas de datos: apto para sensores que envían info cada tanto.

• No es una tecnología específica, sino un conjunto de ellas.

Las más conocidas son:

• LoRa / LoRaWAN

• Sigfox

• NB-IoT (usa infraestructura celular)

📡 LoRa (Long Range)

• LoRa es una modulación propietaria (de Semtech) basada en spread spectrum.

• Se usa en la capa física (como decir "el tipo de señal que se transmite").

• Proporciona comunicaciones robustas a largas distancias con muy bajo consumo.

• Pero LoRa sola no define protocolos de red, sólo cómo se transmite la señal.

🌍 LoRaWAN (LoRa Wide Area Network)

• Es una arquitectura de red completa construida sobre LoRa.

• Define:

  • cómo se comunican los nodos con los gateways (y éstos con el servidor).

  • cómo se gestionan la seguridad, el direccionamiento, las clases de dispositivos, etc.

• Es una red estrella, donde los nodos IoT envían mensajes a uno o varios gateways, que reenvían la información a través de Internet a un servidor de red.

Hay tres clases de dispositivos:

• Clase A: lo más bajo en consumo; solo reciben después de transmitir.

• Clase B: sincronización periódica para recibir.

• Clase C: casi siempre escuchando (más consumo).

📶 Sigfox

• Es una red LPWAN propietaria (de la empresa Sigfox).

• No se basa en LoRa, tiene su propia modulación ultranarrowband.

• Muy simple: solo permite mensajes pequeños y poco frecuentes.

• Ventaja: muy bajo consumo y cobertura muy amplia.

• Desventaja: dependencia total de la empresa y su infraestructura (si no hay cobertura de Sigfox en tu país, no podés usarlo).

Comparación rápida

NB-IoT (Narrowband IoT) es otra de las tecnologías clave en el mundo de IoT, pero muy diferente de LoRa o Sigfox porque usa redes celulares (como las de 4G/5G). Vamos al detalle:

📱 NB-IoT (Narrowband Internet of Things)

Es una tecnología estandarizada por 3GPP (el mismo grupo que define las normas para 4G y 5G), pensada para:

• Comunicar millones de dispositivos IoT

• Con bajo consumo

• Y cobertura extendida, incluso en interiores o subterráneos

Se implementa usando redes móviles comerciales existentes, por lo que las operadoras (Claro, Movistar, etc.) pueden ofrecer NB-IoT sobre su infraestructura.

🧠 Características principales

🔌 Ventajas

• Infraestructura existente: no necesitás instalar gateways propios.

• Confiabilidad y seguridad de red celular.

• Escalabilidad: millones de dispositivos.

• Cobertura en interiores mejorada (ideal para sensores en sótanos, medidores, etc.).

🔧 Desventajas

• Dependencia de la operadora: si no ofrecen NB-IoT, no podés usarlo.

• Necesitás SIM o eSIM: como en los celulares.

• No tan barato como LoRa en entornos privados.

• Velocidad y latencia más limitadas comparado con LTE.

🧪 ¿Dónde se usa?

• Medidores inteligentes (electricidad, agua, gas).

• Sensores ambientales en ciudades.

• Rastreo de activos y logística.

• Agricultura inteligente.

• Control de iluminación urbana.

🌐 ¿NB-IoT o LoRaWAN?

Zigbee y XBee son muy populares en el mundo de IoT, sobre todo cuando se trata de comunicaciones inalámbricas de corto alcance, bajo consumo y redes en malla. Vamos con cada uno:

🧩 Zigbee

Zigbee es un estándar de comunicación inalámbrica basado en IEEE 802.15.4, orientado a aplicaciones de bajo consumo y baja tasa de datos, como IoT, automatización del hogar, y sensores industriales.

📌 Características principales:

🧠 Tipos de dispositivos Zigbee:

• Coordinador: crea y mantiene la red.

• Router: retransmite datos, expande la red.

• End device: solo envía/recibe, entra en modo sleep (muy bajo consumo).

🧪 Usos comunes:

• Domótica (luces inteligentes, sensores, cerraduras).

• Automatización industrial.

• Sistemas de riego.

• Sensores de temperatura, humedad, movimiento.

📡 XBee

XBee es una familia de módulos de comunicación inalámbrica desarrollados por Digi International. Es decir, XBee es el hardware, y puede usar Zigbee como protocolo, entre otros.

📌 ¿Qué es lo especial de XBee?

• Es fácil de usar: se puede configurar sin programar, usando comandos AT.

• Tiene versiones que usan Zigbee, 802.15.4 puro, Wi-Fi, LoRa, e incluso celular (LTE).

• Los módulos XBee Zigbee implementan todo el stack de Zigbee y pueden ser coordinadores, routers o end devices.

• Se puede conectar a microcontroladores por UART o SPI.

• Ofrece herramientas como XCTU para configuración y pruebas.

🆚 Zigbee vs XBee

💡 ¿Qué elegir?

• Si querés aprender o prototipar: los módulos XBee con Zigbee son ideales.

• Si ya tenés tu propio diseño o usás otro hardware: podés implementar Zigbee directamente si tenés el stack.

• Si no necesitás malla, podés usar XBee en modo 802.15.4 "puro", que es más simple (pero sin red inteligente).

Comparación de Tecnologías Inalámbricas para IoT

🧠 Notas clave:

• Zigbee y XBee son geniales para cortas distancias y redes densas de sensores (por ejemplo, una casa o fábrica).

• LoRaWAN es ideal para enviar datos a lo lejos con mínima energía, sin depender de operadoras.

• NB-IoT es fuerte en entornos urbanos o industriales donde ya hay red celular, y se necesita seguridad y confiabilidad.

Comparación de Tecnologías Inalámbricas para IoT

🧠 Detalles clave sobre Sigfox:

• ✅ Simplicidad extrema: sin configuración compleja, solo enviar datos cortos.

• ❌ Muy limitado en capacidad: 12 bytes por mensaje, 140 mensajes por día.

• ❌ Dependencia total de la infraestructura de Sigfox (si no hay cobertura, no sirve).

• ✅ Ideal para aplicaciones donde se necesita solo enviar pequeños datos cada tanto (ej. sensor de nivel de agua, botón de emergencia, rastreo de activos).

LoRaWAN no es solo una extensión de LoRa, sino un protocolo completo de red IoT pensado especialmente para comunicaciones de largo alcance, bajo consumo y redes de sensores masivos. Vamos al detalle técnico de cómo funciona y qué incluye.

📡 ¿Qué es LoRaWAN?

LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) es un protocolo de red de capa superior que opera sobre la capa física LoRa. Define cómo los dispositivos IoT (nodos) se comunican con gateways y servidores de red, incluyendo:

• Formato de mensajes

• Seguridad

• Gestión de dispositivos

• Confirmación de datos

• Tipos de nodos y clases de operación

🧱 Arquitectura LoRaWAN (vista en capas)

      ┌──────────────────────┐

      │ Aplicación IoT       │ ← Capa 7 (Aplicación)

      └──────────────────────┘

      │ LoRaWAN MAC Protocol │ ← Capa 2 (Enlace de datos) + lógica de red

      └──────────────────────┘

      │ LoRa PHY             │ ← Capa 1 (Física: modulación, radio)

      └──────────────────────┘

Componentes del protocolo LoRaWAN

🔐 Seguridad en LoRaWAN

Incluye dos niveles de cifrado:

1. AES-128 para la red (NwkSKey) → Autenticación y control de red.

2. AES-128 para la app (AppSKey) → Cifrado del payload del usuario.

🔄 Tipos de mensaje

• Unconfirmed: Se envía y no se espera ACK.

• Confirmed: Se envía y espera ACK.

• Join Request / Join Accept: Para ingresar a la red con OTAA (Over The Air Activation).

🔋 Clases de Dispositivos LoRaWAN

📶 Proceso de comunicación simplificado (Clase A)

1. Nodo transmite un paquete (temperatura, humedad, etc.).

2. Gateway lo recibe y lo envía al Network Server.

3. Si el mensaje es confirmado, el nodo abre 2 ventanas para esperar el ACK.

4. El servidor puede enviar comandos downlink en esas ventanas.

🔧 Ejemplo real (flujo de un nodo)

[Sensor LoRa Node] 

   |

   | -- LoRa Packet --> 

   |

[Gateway]

   |

   | -- IP / UDP -->

   |

[LoRaWAN Network Server]

   |

   | -- Cifrado, verificación, routing -->

   |

[Application Server / Dashboard]

🔵 ¿Qué es Bluetooth en IoT?

Bluetooth es una tecnología de comunicación inalámbrica de corto alcance (hasta 100 m en ciertas condiciones), muy utilizada en dispositivos personales, wearables, sensores y nodos IoT donde se necesita bajo consumo energético.

En IoT, se usa principalmente Bluetooth Low Energy (BLE), que es una variante optimizada para dispositivos que envían pocos datos y necesitan funcionar con baterías por mucho tiempo.

📶 Tipos de Bluetooth y su rol en IoT

⚙️ ¿Cómo funciona BLE?

BLE se basa en una arquitectura cliente-servidor (GATT) y perfiles de servicios estandarizados.

🔹 GATT (Generic Attribute Profile):

• Peripheral: El dispositivo que anuncia datos (sensor, wearable)

• Central: El que se conecta para leer esos datos (teléfono, gateway)

📦 BLE no transmite grandes cantidades de datos, sino pequeños paquetes llamados "atributos", agrupados en servicios.

Ejemplo:

• Servicio de temperatura

• Característica: lectura de valor en °C

• Unidad: lectura de 2 bytes cada 10 segundos

🧠 Aplicaciones de BLE en IoT

🔗 BLE Mesh: topología de malla

Desde Bluetooth 5.0, BLE puede formar redes Mesh (malla):

• Permite que dispositivos BLE retransmitan mensajes entre sí.

• Ideal para domótica (bombillas, sensores, interruptores).

• Cada nodo puede ser relay o proxy.

🛠 Frameworks como Zephyr RTOS, ESP-IDF, y nRF Connect SDK permiten usar BLE Mesh en dispositivos embebidos.

📲 ¿Qué microcontroladores soportan BLE?

6LoWPAN es una tecnología fundamental cuando hablamos de IoT con bajo consumo y comunicación en malla o punto a punto sobre IPv6.

🔷 ¿Qué es 6LoWPAN?

6LoWPAN significa:

IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks

Es un protocolo que adapta IPv6 para funcionar sobre redes de bajo consumo y baja tasa de datos como las basadas en IEEE 802.15.4 (la misma capa física que usa Zigbee).

✅ Esto permite que cada nodo tenga su propia dirección IPv6, lo que facilita la interoperabilidad con Internet (sin gateways propietarios).

🔗 ¿Con qué tecnologías se compara?

6LoWPAN se puede comparar directamente con:

📊 Comparativa general con otras tecnologías:

📡 ¿Dónde se usa 6LoWPAN?

• Domótica: sistemas como Thread (usado en Matter de Apple/Google) usan 6LoWPAN para la red interna.

• Industria: nodos con conectividad IPv6 y bajo consumo.

• Redes malla científicas o de sensores ambientales con conectividad a Internet.

🛠️ Hardware compatible con 6LoWPAN

• TI CC2538, CC2652 (SoC compatibles con IEEE 802.15.4)

• nRF52840: puede implementar Thread y 6LoWPAN con Nordic SDK o Zephyr

• OpenMote, MoteRunner: plataformas específicas para pruebas de redes 6LoWPAN

• Linux (con dongles USB IEEE 802.15.4): también puede ser nodo/router 6LoWPAN

Protocolos de enrutamiento para IoT

📚 Teoría

a. ¿Por qué es diferente el enrutamiento en IoT?

• Restricciones: energía, capacidad de procesamiento, conectividad intermitente.

• Topologías típicas: estrella, malla, árbol.

b. Protocolos principales

🛠️ Actividad práctica

• Simulación con Contiki-NG + Cooja usando RPL

• Observar la formación del árbol de enrutamiento (DODAG)

• Cortar enlaces y observar reconfiguración

🧩 Ejemplo aplicado

• Sensores BMP280 simulados en nodos Contiki

• Red en malla con recolección de temperatura

• Reenvío de datos a un nodo raíz (border router)

🎚️ 2. Diferencia entre ancho de banda analógico y digital

📚 Teoría

Ejemplo: Un canal de 1 MHz de ancho (analógico) puede transmitir datos a ~1 Mbps dependiendo de la modulación y la relación señal/ruido.

🛠️ Actividad práctica

• Usar un analizador de espectro (virtual o real) para observar una señal LoRa, Zigbee o BLE

• Comparar con tasas de datos (documentación técnica)

• Discutir efecto del ancho de banda en la tasa de transmisión y alcance

🧩 Ejemplo aplicado

📦 3. Protocolos de aplicación, red y transporte en IoT

📚 Teoría

a. Capa de aplicación

b. Capa de transporte

c. Capa de red

🛠️ Actividad práctica

• Enviar datos desde un ESP32 a ThingsBoard:

  • MQTT sobre Wi-Fi (TCP/IP)

  • HTTP GET con datos simulados

• Comparar tamaño de paquetes (Wireshark)

• Observar overhead entre CoAP vs MQTT vs HTTP

🧩 Ejemplo aplicado

A continuación, les dejo una lista de sensores comunes y accesibles para una estación meteorológica inteligente, ordenados de menor a mayor precio/calidad aproximada, agrupados por tipo de magnitud (temperatura, humedad, etc.), y con especificación del tipo de salida (analógica o digital, I2C, SPI, 1-Wire, etc.).

🌡️ Temperatura

💧 Humedad Relativa

🌬️ Presión Atmosférica

💨 Velocidad y Dirección del Viento

🌧️ Precipitación (Pluviómetro)

✅ Resumen y recomendaciones por calidad/precio

Vamos a hacer una estimación realista del uso de pines GPIO del ESP32 al conectar los sensores típicos de una estación meteorológica inteligente educativa, y luego vemos cuántos GPIO sobran para otras tareas (actuadores, botones, relés, etc.).

🧠 Premisas del análisis

1. Microcontrolador: ESP32-WROOM-32 (38 pines, doble núcleo).

2. Sensores elegidos (por balance precio/calidad):

   • BME280 (temperatura, humedad, presión) → I2C

   • DS18B20 (temperatura extra opcional) → 1-Wire

   • Anemómetro y veleta → Entradas digitales (reed switch o encoder)

   • Pluviómetro tipping bucket → Entrada digital

   • Sensor de lluvia (FC-28) → Entrada digital/analógica

3. Bus compartido cuando sea posible: I2C puede compartir hasta varios sensores.

📌 Asignación estimada de pines

🧮 Total de GPIO utilizados

• Entradas/salidas dedicadas a sensores:
  2 (I2C) + 1 (1-Wire) + 1 (Anemómetro) + 1 (Veleta) + 1 (Pluviómetro) + 1 (Lluvia FC-28) = 7 GPIO

• Extras posibles para actuadores: Supongamos 2 GPIO para relés o LEDs → 2 GPIO (salidas)

⚙️ ¿Cuántos GPIO quedan libres en el ESP32?

• El ESP32 tiene 25 GPIO usables aprox. (depende del modelo y si se usan interfaces como UART, SPI, etc.)

• Si usamos 7 GPIO para sensores y 2 para salidas:

  • GPIO libres restantes ≈ 16

🟢 GPIO disponibles típicos en ESP32 (para uso general)

✅ Resumen final

Perfecto, vamos a explicar en detalle el funcionamiento, componentes sugeridos e interfase con ESP32 de:

1. Anemómetro (medición de velocidad del viento)

2. Pluviómetro (medición de precipitaciones)

🌬️ 1. ANEMÓMETRO – Medición de velocidad del viento

🔧 Principio de funcionamiento

Los anemómetros más usados en proyectos educativos son de vasos giratorios con un reed switch interno. Funcionan así:

• Cuando el viento gira los vasos, un imán pasa frente a un reed switch (interruptor magnético).

• Cada giro genera pulsos eléctricos que pueden ser leídos por el microcontrolador.

• Frecuencia de los pulsos → proporcional a la velocidad del viento.

🔩 Componentes sugeridos

• Anemómetro de 3 tazas tipo Davis o clones (se consiguen como parte de kits meteorológicos).

• Reed switch + imán interno (ya vienen montados).

• Opcional: podés fabricar uno con un sensor de efecto Hall si querés mayor precisión.

⚡ Interfaz con ESP32

• El reed switch se conecta a un GPIO como entrada digital, con una resistencia pull-up.

• Lectura mediante:

  • Conteo de pulsos en un período (por ejemplo 1 segundo)

  • O bien por interrupciones en flanco descendente.

🔍 Cómo leerlo

• Cada pulso representa una rotación.

• Según el modelo, se necesita una constante de calibración para convertir a m/s o km/h. Por ejemplo:

  1 pulso por segundo = 2.4 km/h (depende del anemómetro)

🌧️ 2. PLUVIÓMETRO – Medición de cantidad de lluvia

🔧 Principio de funcionamiento

El más común es el "Tipping Bucket" (cubo basculante):

• Tiene dos pequeñas cucharitas que basculan como balanza.

• Cada vez que se llena una, el peso la hace bascular, vaciando el agua y generando un pulso (con reed switch).

• Cada basculación representa un volumen fijo de agua (p. ej. 0.279 mm de lluvia).

🔩 Componentes sugeridos

• Pluviómetro tipo "tipping bucket" (viene en kits, o se puede fabricar).

• Reed switch interno (ya integrado normalmente).

• Cableado simple de dos hilos.

⚡ Interfaz con ESP32

• Igual que el anemómetro: GPIO configurado como entrada digital, con pull-up.

• Se cuenta la cantidad de pulsos durante un período (ej: 1 minuto o 1 hora).

🔍 Cómo leerlo

• Cada pulso = cierta cantidad de lluvia (mm).

• Ejemplo:

  1 pulso = 0.279 mm
  10 pulsos = 2.79 mm de lluvia acumulada

📶 Diagrama de conexión básico para ambos (anemómetro y pluviómetro)

   VCC (3.3V)
     |
     R (10kΩ)
     |
     +-----> GPIO (Entrada ESP32)
     |
  Sensor (reed switch)
     |
    GND

🧪 Lectura por software (pseudocódigo)

volatile int pulsosAnemometro = 0;
volatile int pulsosPluviometro = 0;

void IRAM_ATTR contarAnemometro() {
  pulsosAnemometro++;
}

void IRAM_ATTR contarPluviometro() {
  pulsosPluviometro++;
}

void setup() {
  pinMode(GPIO_ANEMOMETRO, INPUT_PULLUP);
  pinMode(GPIO_PLUVIOMETRO, INPUT_PULLUP);
  attachInterrupt(GPIO_ANEMOMETRO, contarAnemometro, FALLING);
  attachInterrupt(GPIO_PLUVIOMETRO, contarPluviometro, FALLING);
}

void loop() {
  delay(1000); // cada segundo
  float velocidadViento = pulsosAnemometro * FACTOR_CALIBRACION;
  float lluviaAcumulada = pulsosPluviometro * MM_POR_PULSO;
  pulsosAnemometro = 0;
  pulsosPluviometro = 0;
}

✅ Conclusión