No pasará mucho tiempo antes de que los espacios inteligentes se conviertan en un sector industrial importante que busca integrar los sensores y la IA en los entornos de la vida cotidiana. Por este motivo, vamos a ver algunos ejemplos potenciales del futuro y el hardware que hay que tener en cuenta para hacer realidad un proyecto de este tipo.
¿Qué son los espacios inteligentes?
Cuando se habla del futuro de las tecnologías relacionadas con el IoT, a menudo se utiliza el término “espacios inteligentes”. Sin embargo, antes de examinar el hardware y las aplicaciones de los espacios inteligentes, primero debemos definir qué es un espacio inteligente.
En pocas palabras, cualquier entorno que se haya digitalizado hasta el punto de poder leerse y escribirse, puede considerarse como tal. Cuando decimos que se puede leer y escribir, lo que queremos decir es que los datos clave sobre el entorno se pueden leer, procesar y luego modificar con el resultado. Por ejemplo, los ambientes interiores pueden considerarse como un espacio inteligente en el que se mide la calidad del aire interno, en cuanto a temperatura y niveles de CO2, los resultados se procesan en una computadora, y las ventanas y unidades de aire acondicionado se ajustan para mejorar la calidad del aire mediante la renovación del existente, la calefacción del espacio o el enfriamiento. Sin embargo, a diferencia de un sistema de control de ambiente tradicional, un sistema de control inteligente procesaría el entorno para reaccionar en función de múltiples factores, como el número de personas presente, los precios actuales de la energía y los patrones de comportamiento de los usuarios.
En esencia, un espacio inteligente es la acción de digitalizar un entorno para que se pueda monitorear y controlar mediante sistemas inteligentes que puedan responder en tiempo real. Casi cualquier entorno puede convertirse en un espacio inteligente: carreteras, bosques e incluso calles de la ciudad. Si se puede digitalizar, entonces se puede convertir en un espacio inteligente.
¿Cuáles serán los requisitos fundamentales de un sistema integrado en un espacio inteligente?
El componente fundamental de cualquier espacio inteligente (o de cualquier circuito electrónico moderno, para el caso) es un microcontrolador integrado, cuya tarea es leer datos sensoriales, procesar E/S y comunicarse con servidores remotos para proporcionar datos y recibir órdenes.
El segundo componente más importante en un espacio inteligente es la comunicación: ¿Cómo se comunica un microcontrolador integrado con un servidor remoto para obtener datos? Aunque algunos espacios (como los industriales de interior) pueden permitir el uso de Ethernet o RS-232 por cable, lo más probable es que los espacios inteligentes requieran el uso de comunicación inalámbrica. En este caso, los diseñadores pueden elegir entre las opciones de celular, Wi-Fi, Bluetooth y LoRaWAN.
Sin importar la tecnología inalámbrica que se utilice, el hecho mismo de usar la comunicación inalámbrica ejerce múltiples presiones sobre un diseño, incluidos el uso de energía y la seguridad. Si bien se puede gestionar la problemática de la energía con una transmisión de datos poco frecuente y el uso de microcontroladores de bajo consumo, el tema de la seguridad de la comunicación inalámbrica presenta algunos desafíos importantes.
Por un lado, la seguridad inalámbrica permite a los ciberdelincuentes entrar en los dispositivos sin necesidad de estar cerca de ellos. En segundo lugar, los espacios inteligentes con múltiples dispositivos que utilizan la misma tecnología podrían ser un objetivo tentador para un pirata informático, ya que jaquear uno de ellos puede que proporcione una entrada para todos los dispositivos, y esto aumentaría las ganancias de un ciberdelincuente exitoso.
Por tanto, un dispositivo integrado no solo debe ser de bajo consumo, sino que también debe integrar sólidas funciones de seguridad, como el cifrado por hardware, la generación de números aleatorios reales, las zonas de confianza y los aceleradores criptográficos.
Para entender mejor los espacios inteligentes y las limitaciones a las que se enfrentan, veamos algunos ejemplos de los desafíos a los que se enfrenta un diseño y lo que tendría que buscar un ingeniero.
Ejemplo 1: contenedores de basura inteligentes
Los contenedores inteligentes ya comenzaron a desarrollarse y podrían ayudar a crear espacios inteligentes en las ciudades que puedan responder al uso en tiempo real. Por ejemplo, un contenedor con un sensor que detecte su uso actual podría programar el retiro solo cuando sea necesario, lo que reduciría las emisiones de CO2 de los vehículos que tienen que recoger la basura. En segundo lugar, un contenedor de basura inteligente podría calcular su uso, en función de la hora actual, lo que daría a los planificadores urbanos información sobre el tráfico que experimenta una zona.
Como un dispositivo de este tipo sería en extremo sencillo (un simple sensor PIR funcionaría en este caso), casi cualquier microcontrolador integrado tendrá la capacidad de procesamiento para detectar cuando hay basura y luego enviar una señal a algún servidor remoto para que la recoja cuando sea necesario. Aunque los contenedores están en zonas urbanas que tienen acceso a la infraestructura, el hecho de que los trabajadores recorran los basureros significa que cualquier mantenimiento necesario en el sensor se puede hacer con cada retiro, esto incluiría el cambio de baterías. Como las baterías son más fáciles de integrar que el cableado de la red con los convertidores de energía, tiene sentido que un sensor de este tipo funcione de esta forma. Por último, el uso de estos sensores en una zona urbana significa que pueden aprovechar las redes celulares, ya que estas están ampliamente establecidas en las ciudades.
En este caso, el factor más importante para un ingeniero de diseño sería la necesidad de un procesador de baja potencia con la capacidad de comunicarse con un módem celular o integrar uno propio en forma de sistema en módulo. En cualquier caso, el bajo consumo sería la clave para un diseño de este tipo.
Ejemplo 2: monitor de actividad
Tanto si se trata de una zona exterior como interior, un monitor de actividad es un dispositivo que puede observar el movimiento inmediato del entorno. Dicha actividad incluye el número de personas que se mueven por la zona, el tiempo que un merodeador pasa en ella e incluso la identificación de los individuos. En este ejemplo, un dispositivo de este tipo necesitaría sobre todo una cámara, y esto ya supone una demanda de procesamiento para cualquier microcontrolador que se elija. Es posible que el uso del reconocimiento facial tenga que hacerse de forma local por motivos de privacidad (es decir, la computación de borde), lo que hará necesario el procesamiento local de la IA.
Por último, la preocupación por la energía de este dispositivo es algo irrelevante si se tiene en cuenta que la mayoría de los sistemas de cámaras utilizan la potencia del dispositivo principal. Esto es para asegurar que la cámara tiene toda la energía que necesita para procesar el video, así como para asegurar la confiabilidad de esta.
Ejemplo 3: iluminación inteligente
Los espacios exteriores que utilizan iluminación pueden aprovechar los dispositivos inteligentes para tomar decisiones sobre si se requiere dicha iluminación. Esto tiene la ventaja de ahorrar energía cuando no está en uso, y la atenuación de las luces también puede ayudar con la contaminación lumínica para los residentes cercanos, así como para el cielo. Además, la reducción de la iluminación aumenta la vida útil de las luminarias, lo que contribuye a la disminución de los residuos eléctricos y a la baja del costo total de la vida útil de un sistema de iluminación.
Para crear un sistema de este tipo, se necesitan sensores capaces de detectar la actividad, pero no sería necesario que funcionaran con el mismo grado de precisión o resolución que el del ejemplo anterior (el monitor de actividad). En este caso, el único punto de preocupación es si un espacio está ocupado, y los datos más avanzados podrían buscar ver la velocidad y la dirección de un ocupante (esto se podría utilizar para crear una ruta de predicción sobre qué luces apagar y encender).
También es probable que un sensor de este tipo pueda realizar la mayor parte del procesamiento en el chip y no necesite utilizar servicios remotos en la nube (por supuesto, esto siempre se podría utilizar para añadir funcionalidad al sistema de iluminación). Si tenemos en cuenta que los sistemas de iluminación inteligente tendrán una conexión eléctrica estable, es poco necesario contar con sistemas de sensores que funcionen con baterías, lo que significa que las soluciones de bajo consumo no son imprescindibles.
En cambio, un dispositivo integrado en esta aplicación debería centrarse en tener una gran seguridad por la sencilla razón de que un pirata que accediera al dispositivo podría controlar la iluminación a su antojo, lo que podría utilizarse con fines nefastos (es decir, cubrir huellas, cometer delitos, etc.). También se necesitaría una fuerte seguridad, ya que un sistema de este tipo también podría identificar a las personas si se utiliza una cámara.
El futuro de los espacios inteligentes luce brillante
Todavía estamos en los inicios de los espacios inteligentes, y aunque muchos productos del mercado se venden como “inteligentes”, la mayoría de ellos, de hecho, no lo son (es decir, no realizan ningún procesamiento real de datos ni reaccionan a los acontecimientos en tiempo real). Cuando los ingenieros diseñan y desarrollan sensores y dispositivos de computación de borde para su uso en espacios inteligentes, tenemos que asegurarnos de que se elige el tipo de tecnología adecuado para la aplicación y, para ello, tenemos que cerciorarnos de que entendemos en plenitud qué se requiere de un dispositivo.
En el caso de los espacios inteligentes, la privacidad y la seguridad serán las dos áreas de mayor preocupación y, por lo tanto, cualquier dispositivo integrado en un espacio inteligente tendría que tener, como mínimo, múltiples niveles de seguridad de hardware, incluidos el cifrado, el almacenamiento de claves y los certificados. Después de eso, el consumo de energía será un factor importante, ya que la probabilidad de que un sensor en un espacio inteligente funcione con pilas es alta. A partir de estas principales preocupaciones, se elegiría la tecnología de comunicación, y es en este punto donde se puede por fin crear un diseño de espacio inteligente integrado.