La mayoría de los edificios, principalmente los residenciales, no están cableados para conectar sus sistemas existentes, como HVAC, ascensores, cámaras de seguridad y otros dispositivos. Los dispositivos de IoT inalámbricos que utilizan tecnologías como LoRaWAN o NB-IoT pueden ayudar a conectar nuevos dispositivos y sensores, y modernizar los existentes.
Conectar nuevos sensores y sistemas de control a los activos existentes es un desafío. En la mayoría de los casos, todos los electrodomésticos, ascensores, HVAC y sistemas de seguridad ya incluían su propia conectividad, si la tenían.
Durante las últimas tres décadas, muchos propietarios de edificios han cableado sus instalaciones para tener la posibilidad de administrar esos sistemas de forma remota, desde una sala de control o desde varios paneles de control. Si bien este enfoque permite obtener información en tiempo real sobre las condiciones actuales de los diferentes sistemas de edificios, no alcanza para la recopilación de datos valiosos sobre el estado operativo, el desgaste de los componentes, las condiciones ambientales, etc.
Para aprovechar el análisis y la automatización, las infraestructuras deben estar equipadas con sensores y otros dispositivos inteligentes, y conectarse con sistemas de control consolidados.
Al diseñar un nuevo edificio, resulta fundamental decidir qué tipo de conectividad se necesita. Si bien la mayoría de las instalaciones nuevas están listas para las conexiones por cable, es buena idea considerar las redes celulares y otras redes inalámbricas para habilitar diferentes tipos de dispositivos, en especial, los sensores alimentados por batería.
Además, la conectividad inalámbrica podría ser la mejor solución para conectar diferentes tipos de sistemas en edificios más antiguos, ya que el esfuerzo de cablear la infraestructura podría ser complicado y costoso, además de resultar insuficiente para llegar a todas las áreas del edificio.
Nuevas tecnologías celulares diseñadas específicamente para IoT
El rápido aumento en la cantidad de dispositivos de IoT y los requisitos de energía para conectar miles de millones de ellos hace necesario considerar tecnologías de comunicación de bajo consumo.
Hasta la llegada del estándar LTE o evolución a largo plazo, comúnmente conocido como 4G, la mayoría de los dispositivos conectados de forma inalámbrica usaban Wi-Fi o redes celulares 2G para enviar y recibir datos. Incluso en la actualidad, algunos dispositivos, sobre todo cámaras de seguridad y sistemas de monitoreo, todavía usan 2G, una tecnología ampliamente disponible en la mayoría de las regiones del mundo.
Hace diez años, 4G inició un cambio. El nuevo estándar celular fue el primero en aprovechar las comunicaciones de datos sobre los tradicionales medios de voz y texto. Además, las diferentes versiones de 4G habilitaron características adicionales, como la agregación de operadores y la comunicación de bajo consumo.
La explosión de nuevos dispositivos de IoT, en especial sensores para aplicaciones industriales y de construcción, requería nuevas características celulares como baja potencia, conectividad de área amplia y fácil incorporación de nuevos dispositivos.
La primera parte, la conectividad de bajo consumo, llegó en 2016 con dos nuevos estándares 4G que los operadores podían instalar en las redes existentes: LTE Machine Type Communication (LTE-M) y Narrow-Band IoT (NB-IoT). Ambos se definieron en la publicación 3GPP Release 13, que se convirtió en estándar en junio de 2016.
LTE-M y NB-IoT funcionan utilizando pequeñas ráfagas de datos a través de redes 4G. La ventaja de LTE-M sobre NB-IoT es su tasa de transmisión de datos, movilidad y voz a través de la red, la cual resulta comparativamente más alta. Aún así, LTE-M requiere más ancho de banda y es más costoso para los fabricantes de dispositivos. NB-IoT ofrece un menor consumo de energía y módems más asequibles, pero no admite voz ni SMS.
Los operadores prefieren LTE-M porque solo requiere una actualización de software en sus redes. Sin embargo, los fabricantes de dispositivos que no necesitan SMS o voz prefieren NB-IoT debido a su menor consumo de energía y módems más económicos.
LTE-M prevalece en Norteamérica, aunque los operadores ahora también ofrecen conectividad NB-IoT.
El segundo desafío, la fácil incorporación de nuevos dispositivos, se logra utilizando un módulo de identidad de suscriptor integrado (eSIM). Hasta la llegada de la especificación GSMA eSIM, cada dispositivo conectado a una red celular necesitaba un orificio y una ranura para colocar un módulo SIM de plástico, el mismo que encontramos en todos los teléfonos inteligentes.
Los eSIM, tan pequeños como la cabeza de un alfiler, y los SIM integrados (iSIM), incrustados en otros chips, les permiten a los fabricantes de dispositivos diseñar dispositivos pequeños. Además, los operadores pueden suministrarles las credenciales del operador de telefonía móvil de manera inalámbrica (OTA) tras la instalación. No se requiere intervención manual.
Las principales ventajas de usar conectividad celular para dispositivos inteligentes son la disponibilidad de redes celulares y una mejor seguridad. Hoy en día, miles de redes celulares operan en todo el mundo utilizando los mismos estándares y las comunicaciones se cifran mediante seguridad basada en hardware; es decir, los módulos SIM. Sin embargo, las principales desventajas son el alto consumo de energía en comparación con otras redes LPWAN y el costo, tanto del dispositivo como de las tarifas de uso que se deben pagar a los proveedores de telefonía celular.
Las redes LPWAN no celulares disminuyen los costos y el consumo de energía
Probablemente, la conectividad inalámbrica más común presente en un edificio sea Wi-Fi. La omnipresencia de este estándar inalámbrico lo hace ideal para conectar muchos dispositivos que incluyen un módem Wi-Fi. Termostatos, cámaras de seguridad, acondicionadores de aire y muchos otros dispositivos inteligentes podrían conectarse fácilmente a un punto de acceso Wi-Fi.
Sin embargo, conectar todo por Wi-Fi plantea algunos desafíos e inconvenientes. El alcance de Wi-Fi está muy limitado y las señales son bloqueadas por paredes, pisos y otros objetos. Para garantizar una buena comunicación entre la red y los dispositivos, es necesario instalar muchos puntos de acceso en el edificio.
En segundo lugar, el Wi-Fi consume mucha energía. No solo es necesario conectar los enrutadores, conmutadores y puntos de acceso, sino también los cientos de dispositivos conectados a la red. Si bien esto no es un problema con los dispositivos grandes, sí lo es para los sensores pequeños y otras unidades alimentadas por batería.
Los estándares de las redes de bajo consumo y de área extensa o LPWAN, por sus siglas en inglés, han aparecido en el mercado en los últimos años. Estos estándares están diseñados específicamente para conectar dispositivos de bajo consumo, que en su mayoría funcionan con baterías, a puertas de enlace que utilizan un espectro sin licencia con frecuencias inferiores a 1 GHz. Quizás el más popular y usado sea LoRa. Otros ejemplos incluyen Zigbee y Sigfox.
Las redes LPWAN, como LoRaWAN, pueden resolver los dos problemas principales usando Wi-Fi. El rango se expande de manera significativa mediante el uso de un espectro sin licencia con frecuencias inferiores a 1 GHz. En muchos casos, una única puerta de enlace LoRa puede abastecer a todo un edificio. Además, el bajo consumo de energía y el ancho de banda limitado (el ancho de banda de LoRaWAN oscila entre 0,3 kbps y 50 kbps) permiten el uso de dispositivos alimentados por batería que solo requieren una conectividad limitada, lo que significa que un sensor pequeño podría funcionar durante varios años sin mantenimiento.
Además, la red LoRaWAN a nivel mundial hace innecesaria la instalación de puertas de enlace in situ. Al igual que la conectividad celular, LoRaWAN puede conectar miles de dispositivos de IoT con menos consumo de energía y a una fracción del costo.
La seguridad en LoRaWan utiliza algoritmos criptográficos AES-128 estandarizados. Las claves se pueden preinstalar en la línea de producción, durante la puesta en marcha o activarse de forma inalámbrica (OTAA) en el campo. OTAA permite que los dispositivos se puedan volver a codificar si es necesario.
No todas las redes son para todos
Sin duda, diferentes sistemas, componentes y dispositivos para edificios inteligentes necesitan diferentes tipos de conectividad.
Los sensores que monitorean las condiciones ambientales y el estado de los electrodomésticos y otros sistemas solo necesitan enviar y recibir pequeñas ráfagas de datos. Funcionan mejor con una LPWAN como LoRa, lo que reduce el consumo de energía y el costo.
Los sistemas de seguridad como cámaras, detectores de movimiento y otras aplicaciones en tiempo real requieren más ancho de banda y conexiones estables, lo que puede proporcionar conectividad celular y por cable.
Otros dispositivos, como termostatos y ventanas inteligentes, pueden operar de manera eficiente en puntos de acceso Wi-Fi o conectarse por cable.
La interoperabilidad es clave
El mayor desafío para los diseñadores y desarrolladores de edificios es hacer que todos los distintos dispositivos funcionen juntos. Hasta ahora, la mayoría de las soluciones para edificios se basan en silos independientes: soluciones parciales que solo abordan una sección o parte de una infraestructura.
Es por eso que ahora están apareciendo nuevas plataformas en el mercado, que permiten que diferentes sistemas y redes trabajen juntos. Una alternativa es Building X de Siemens, que no se limita al hardware de Siemens. Los proveedores y otras empresas de administración de edificios pueden integrar sus sistemas existentes en la plataforma, lo que reduce la inversión inicial y los costos adicionales. De esta forma, pueden tener un solo panel, o un gemelo digital, para administrar sus edificios de manera eficiente.
Microsoft también está ingresando a este mercado en crecimiento a través de IoT Central y Azure Digital Twins. “Estamos uniendo fuerzas con otros líderes de la industria para acelerar el uso de Digital Twins en los mercados verticales”, dice Sam George, vicepresidente corporativo de Azure IoT en Microsoft. “Estamos comprometidos con construir una comunidad abierta para promover las mejores prácticas y la interoperabilidad, para ayudar a establecer patrones de diseño comprobados y listos para usar, y modelos estándares para negocios específicos y conceptos básicos que abarquen dominios”.
