Comunicación presentada al IV Congreso Ciudades Inteligentes:
Autores
- Ismael Torres, Ingeniero I+D, Prodevelop
- Miguel Ángel Llorente, Ingeniero I+D, Prodevelop
- Miguel Montesinos, Director Técnico, Prodevelop
- Carlos E. Palau, Catedrático de Universidad, UPV
Resumen
Las ciudades inteligentes aspiran a convertirse en concentradores de información útil para ciudadanos, servicios públicos y empresas. Para realizar esta función, incorporan información proveniente de distintos nodos internos que pueden estar gestionados por entidades independientes, con infraestructuras TIC heterogéneas. Esto hace que la integración de los datos sea costosa y lenta, limitando los beneficios prometidos por el paradigma de las Smart Cities. INTER-IoT proporciona un punto de intercambio de información seguro y escalable para conseguir la interoperabilidad de IoT dentro de una ciudad y conseguir así la capacidad de cruzar, analizar y representar datos de distintas fuentes de manera sencilla a través de una única interfaz.
Palabras clave
Interconexión, Redes IOT, Nodos Internos, INTER-IoT
Introducción
Las ciudades y territorios llevan realizando desde hace unos años una importante inversión de recursos para disponer de sus plataformas de ciudades inteligentes, muchas de estas plataformas han sido financiadas por iniciativas públicas lanzadas por el gobierno, que han servido para dinamizar la implantación de las plataformas inteligentes.
El objetivo de las plataformas de ciudades inteligentes es mejorar la productividad y la competitividad, y transformar y modernizar la economía y sociedad española mediante un uso eficaz e intensivo de las TIC por la ciudadanía, empresas y administraciones y conseguir mejorar la calidad de vida de los ciudadanos. Tal y cómo se expone en el “Plan Nacional de Territorios Inteligentes (PNTI)”, para poder llegar a cumplir sus objetivos es esencial que se integren en dichas plataformas un conjunto de elementos (objetos internos y objetos externos), que impactan en los servicios públicos sin formar parte de estos. Entendiendo cómo objetos internos, a los edificios y otras infraestructuras tales cómo puertos, aeropuertos, estaciones de metro, edificios públicos, etc, que disponen de un conjunto de datos que deben trasladarse a la ciudad para que esta pueda planificar mejor sus servicios. Además, las ciudades están en contacto permanente con otras ciudades y dicha dependencia influye sobre los problemas a resolver y los servicios que se prestan, esta interdependencia entre ciudades es lo que se entiende cómo objetos externos.
Tanto la integración de los objetos internos y de objetos externos no es sencilla, debido a la falta de estándares en cuanto al desarrollo de plataformas IoT y a la heterogeneidad de estas, lo que dificulta enormemente la integración de información de objetes internos y externos en plataformas de ciudades inteligentes. Además, el problema no hace más que agravarse con el tiempo, debido a que es un sector dinámico y en expansión, en el que cada poco tiempo aparecen nuevas plataformas y dispositivos.
La interoperabilidad global de las infraestructuras de hardware / software generalmente se basa en estándares. Sin embargo, como IoT es una tecnología en evolución sin una coordinación y control técnico centralizado específico, en los próximos años se desarrollarán y propondrán muchas soluciones y (pseudo) estándares. Esto acarreará una mayor heterogeneidad. De hecho, actualmente existen muchos estándares (de facto) diferentes en el ámbito de IoT dirigidos a: comunicaciones, hardware, software y datos. Sin embargo, se refieren principalmente a objetos específicos de IoT (sensores, redes de sensores, RFID, semántica, etc.) o contextos (red inteligente, cuidado de la salud, edificios inteligentes, logística, etc.) Desde el punto de vista de las comunicaciones, están disponibles protocolos de estándares a diferentes niveles (MAC, red, aplicación): IEEE 802.11 – WiFi, IEEE 802.16 – WiMax, IEEE 802.15.4 – LR-WPAN, 2G / 3G / 4G – Comunicaciones móviles, Zigbee, BlueTooth, ANT +, NFC, comunicaciones M2M (M-Bus, WM-Bus, UWB, ModBus, Z-Wave), M2M ETSI, IPv4, IPv6, 6LowPAN, TCP, UDP, ISO / IEEE 11073 para dispositivos médicos, CoAP, HTTP, MQTT, XMPP, DDS, AMQP, Websockets, etc. Desde la perspectiva del hardware, el estado tecnológico actual también es heterogéneo: Arduino, BeagleBoard, RaspberryPI, Libelium, etc. En cuanto a software es si cabe aún más rico, incluyendo muchas tecnologías de software base (TinyOS, Contiki, FreeRTOS, eCos, WebRTC, REST, WAMP, etc.) y las soluciones de middleware (FedNet, Ubicomp, SmartProducts, unviersAAL, etc.), incluidas las infraestructuras basadas en la computación en la nube (Amazon EC2, Google App Engine, Xively, MS Windows Azure). También el nivel de datos (y semántica) presenta una alta heterogeneidad: XML (y basados en XML como WSDL), JSON, UDCAP, uCode Relational Model, RDF, OWL, W3C SSN (Red de sensores semánticos).
Cabe resaltar que, cuando consideramos una plataforma IoT completa, la complejidad de las tecnologías utilizadas para construir dicha plataforma aumenta por cada capa que definida (dispositivo, red, middleware, aplicación servicio, datos y semántica) ya que estas deben ser adaptadas holísticamente para formar la plataforma final.
Por lo tanto, es fundamental proporcionar enfoques capaces de integrar, interconectar, fusionar, plataformas IoT heterogéneas para construir ecosistemas interoperables a gran escala, y de este modo poder construir servicios sobre estas plataformas.
INTER-IoT proporciona la primera suite metodológica y tecnológica para abordar de manera completa la cuestión fundamental de la interoperabilidad voluntaria. El conjunto se compone de tres elementos principales: (i) Infraestructuras orientadas a capas, capaces de mapear capas heterogéneas (dispositivo a dispositivo, red a red, middleware a middleware, servicios de aplicaciones a aplicaciones, dato a dato y semántica a semántica); (ii) Framework de trabajo abierto interoperable para programar y gestionar la integración de Plataformas IoT; (iii) Metodologías de ingeniería y herramientas para impulsar el proceso de integración de plataformas de IoT heterogéneas.
Mediante el uso de INTER-IoT, la heterogeneidad de la IoT pasa de ser el factor más limitante, para la difusión de la tecnología IoT, a su mayor ventaja debido a la explotación de beneficios y características específicos derivados de múltiples plataformas IoT heterogéneas.
El proyecto
El proyecto INTER-IoT tiene como objetivo el diseño, la implementación y la experimentación de un framework abierto de capas cruzadas y la metodología asociada, para proporcionar interoperabilidad entre plataformas hetereogéneas de Internet de las cosas. INTER-IoT permite el desarrollo eficaz y eficiente de aplicaciones inteligentes de IoT, sobre diferentes plataformas de IoT heterogéneas, que abarcan dominios de aplicación únicos o múltiples.
El objetivo general del proyecto INTER-IoT es proporcionar una arquitectura de marco interoperable para integración de diferentes arquitecturas de IoT presentes en diferentes dominios de aplicación. La interoperabilidad se proporciona a diferentes niveles: dispositivo, red, middleware, servicios y datos.
Los dominios de las aplicaciones y casos de uso abordados en el proyecto y en los que ya se aplica son el marco de IoT son salud y movilidad y logística portuaria, que se pueden considerar objetos internos y/o verticales dentro del marco de una ciudad inteligente. El resultado del proyecto puede optimizar diferentes operaciones (p. aumentar la eficiencia en el tiempo de transporte; reducir las emisiones de CO2; mejorar el control de acceso y seguridad; mejorar la asistencia remota del paciente y aumentar el número de sujetos que las unidades de cirugía pueden ayudar a usar los dispositivos móviles con los mismos recursos; reducir el tiempo que se pasa en los hospitales o reducir el tiempo dedicado a las actividades de asistencia llevadas a cabo directamente en la cirugía, posibilitando la reducción de la lista de espera). El uso de Inter-IoT puede extenderse a otros dominios en los que existe la necesidad de interconectar diferentes arquitecturas de IoT ya implementadas. El proyecto ayuda a la interoperabilidad a diferentes niveles dentro de las capas arquitectónicas que se hayan definido.
La mayoría de los desarrollos de IoT existentes se basan en conceptos de «ciclo cerrado», se centran en un propósito específico y están aislados del resto del mundo. La integración entre elementos heterogéneos generalmente se realiza a nivel de dispositivo o de red, y solo se limita a la recopilación de datos. Un enfoque multicapa, que integre diferentes dispositivos, redes, plataformas, servicios y aplicaciones IoT, permite un uso global de datos, infraestructuras y servicios, sobre los que construir nuevos escenarios IoT. Asimismo, se facilita la reutilización e integración de sistemas de IoT existentes y futuros, creando un ecosistema global de facto de plataformas IoT interoperables.
En ausencia de estándares globales de IoT, los resultados de INTER-IoT permiten a cualquier empresa diseñar y desarrollar nuevos dispositivos o servicios de IoT, fácilmente integrables en plataformas de ciudades inteligentes, aprovechando el ecosistema existente y llevarlos al mercado rápidamente.
Metodología
El enfoque INTER-IoT facilita la creación rápida de prototipos de nuevas aplicaciones de IoT que se ejecutan sobre plataformas de IoT integradas en dominios de aplicación únicos y/o múltiples, proporcionando tres componentes básicos necesarios para lograr la interoperabilidad:
- Métodos y herramientas para proporcionar la interoperabilidad entre y a través de las capas de una plafatorma IoT.
- Framewokr global (INTER-FW) para la programación y gestión de plataformas IoT interoperables.
- Metodología (INTER-METH) basada en Herramientas CASE (Computer Aided Software Engineering -Ingeniería de Software Asistida por Computadora-) para la integración de plataformas IoT.
- La interoperabilidad a nivel de dispositivo se consigue mediante el despliegue de un Gateway que corre en disitintas plataformas base y, que proporciona a su vez un gemelo digital (Virtual Gateway), que permite la interacción con él incluso cuando no está offline.
- A nivel de red, se ha desarrollado un sistema de virtualización de red que permite modificar dinámicamente las reglas de enrutamiento y calidad de servicio (QoS) en función de las necesidades de interoperabilidad del sistema. Esta capa también incluye el uso de un sistema de Sofware Defined Radio que permite la adaptación de equipos electrónicos de IoT a entornos cambiantes.
- En la capa de middleware, se ha desarrollado un sistema de interoperabilidad de middlweares de plataformas IoT conocidas, incluyendo FIWARE, universAAL, Azure, OneM2M, WSO2 o Sofia2. Este sistema proporciona mecanismos sencillos de integración que permiten incorporar datos al resto de plataformas conectadas en INTER-IoT, a la misma vez que se reciben datos de las mismas, con los mecanismos adecuados de seguridad, que garantizan el control absoluto de la información por parte del propietario de la misma.
- A nivel de servicio de aplicaciones, reutilización e intercambio (importación / exportación) de servicios heterogéneos entre diferentes plataformas IoT a través de herramientas de programación gráfica.
- En el nivel de datos y semántica, se ha desarrollado un Mediador Semántico para Plataformas IoT que permite intercambiar información entre distintos estándares semánticos de manera sencilla, flexible y con buen rendimiento, permitiendo la operación normal de los sistemas.
Métodos y herramientas para la interoperabilidad de capas
INTER-IoT usa un enfoque orientado a capas para explotar completamente las funcionalidades específicas de cada capa (dispositivo, red, middleware, aplicación servicios, datos y semántica). Este enfoque tiene un mayor potencial para ofrecer una estrecha integración bidireccional entre plataformas de IoT heterogéneas, que garantizan notablemente la independencia, proporcionando así un mayor rendimiento, modularidad, adaptabilidad, flexibilidad, confiabilidad, seguridad, privacidad y confianza. Además, lo que es extremadamente importante, INTER-IoT dará más control sobre los requisitos funcionales y no funcionales de los servicios a desarrollar.
Como se destaca en la Figura 1, el enfoque INTER-IoT se basa en la infraestructura de interoperabilidad de pares de capas real / virtual para garantizar la interoperabilidad / integración: dispositivo a Dispositivo (D2D); Redes a redes (N2N); Middleware-a-Middleware (MW2MW); Solicitud Servicios a los servicios de aplicación (AS2AS); Datos y semántica a datos y semántica (DS2DS).
Cada infraestructura de interoperabilidad de capas (implementable mediante hardware, software o ambos) no solo proporciona un fuerte acoplamiento entre capas sinó también expone una interfaz, que se puede programar para controlar / interactuar con el componente. Las interfaces serán controladas por un Framework para proporcionar interoperabilidad global (ver Figura 2). Además, las infraestructuras de interoperabilidad de capa pueden comunicarse entre sí para proporcionar capas cruzadas que apunta a fortalecer la integración entre las capas para proporcionarmás eficiencia y confiabilidad, sin dejar de apoyar la flexibilidad y la adaptabilidad.
Framework IoT Interoperable (INTER-FW)
El framework IoT interoperable (INTER-FW) tiene como objetivo proporcionar interoperabilidad a nivel de plataforma global y abierta entre plataformas de IoT heterogéneas acopladas a través de infraestructuras de interoperabilidad específicamente desarrolladas. INTER-FW se basa en un metamodelo arquitectónico para plataformas interoperables IoT y en un modelo de metadatos para la semántica interoperable IoT. La Figura 2 muestra parte de la interfaz de usuario de INTER-FW. Proporciona una biblioteca de programación (es decir, INTER-API) que será utilizada tanto por las herramientas INTER-FW, proporcionando la gestión de nivel global de las plataformas IoT integradas, como por nuevas aplicaciones de IoT posiblemente de dominios cruzados desarrollado sobre INTER-FW y que se desarrollará en WP4, en total conformidad con el meta-arquitectura y el modelo de metadatos INTER-IoT diseñado.
Por lo tanto, INTER-FW mejora las soluciones actuales al proporcionar un método general y eficaz para la interoperabilidad interplataforma, abordando a nivel global: tiempo-real, fiabilidad, seguridad, privacidad, confianza. En en particular, INTER-FW se diseñó e implementó teniendo en cuenta la necesidad de respetar, cuando corresponda, la privacidad de los datos del usuario (por ejemplo, anonimización, identificación oculta, uso de bases de datos separadas para identificación y datos) y la seguridad de los datos (solo dispositivos autorizados, garantizar la autenticación y el no rechazo).
Aplicación de INTER-IoT a la construcción de un nodo IoT para datos portuarios
En INTER-IoT, no de los escenarios de pilotos incluye el despliegue de las soluciones de interoperabilidad en el ámbito logístico y portuario, de forma que se puedan integrar distintos sistemas de distintos propietarios que habitualmente colaboran en este escenario (sistemas de gestión portuaria, dominio público, empresas logísticas, vehículos, terminales) para conseguir casos de uso que hasta ahora, dada la complejidad en la integración, eran imposibles. De esta manera, INTER-IoT está posibilitando la mejora de la eficiencia en los accesos al puerto; la reducción de las colas y los tiempos de espera en sus distintas zonas; disminuyendo drásticamente la demanda energética por iluminación en las zonas del puerto administradas por varias entidades, o mejorando la seguridad de los trabajadores portuarios gracias a el mejor y más rápido intercambio de datos IoT.
Aplicación de INTER-IoT a la construcción de un caso de uso de movilidad para la plataforma VLCi (Plataforma Ciudad Inteligente de Valencia)
El proyecto INTER-IoT, a parte de servir para integrar objetos inteligentes dentro de las plataformas de ciudades inteligentes, también se ha demostrado de gran utilidad para el desarrollo de verticales, permitiendo abstraernos de la plataforma de ciudad inteligente y de la capa de datos de esta, tal y cómo hemos comprobado en el Proyecto Establish, en el cual se está desarrollado un piloto denominado “Ciudad optimizada y plan de movilidad” para la plataforma VLCi de la ciudad de Valencia. Dicho servicio define áreas geográficas y rutas en términos de las condiciones medioambientales de una ciudad y de las preferencias del planificador de rutas en “Tiempo real”, reduciendo el tiempo de viaje de los ciudadanos, teniendo en cuenta datos en tiempo real obtenidos de la plataforma VLCi y la posibilidad de combinar diversos medios de transportes. Otro de los beneficios del caso de uso es el ahorro de energía y la disminución de los niveles de CO2/NO2, ya que el piloto prioriza uso de medios de transporte con menor consumo y más ecológicos.
Durante el desarrollo del caso de uso, se ha utilizado INTER-FW y INTER-METH para la obtención y la transformación de datos de diversas plataformas. La mayoría de los datos utilizados en el proyecto se han recuperado de la plataforma VLCi, que continene datos relativos de transporte, medio Ambiente, urbanismo y infreaestructures. Otros datos, cómo son los datos relativos al metro, se han recuperado del portal FGV de la Generalitat Valenciana. La información meteorológica es relevante para el caso de uso, ya que el tiempo condiciona el modo de transporte elegido por los usuarios, además de ser un factor clave en los niveles de contaminación del aire de la ciudad. Gracias al uso de INTER-IoT, se ha facilitado el acceso a los datos necesarios para desarrollar el caso de uso, provenientes de diferentes fuentes de datos, así cómo del formato en el que se encuentran los datos. De este modo, el caso de uso desarrollado se independiza de las fuentes/plataformas de datos y del formato de los mismos, pudiendo trasladarse fácilmente a otras plataformas de ciudad inteligente.
Agradecimientos
El presente articulo ha sido desarrollado dentro del marco de los proyectos europeos INTER-IoT y Establish. El proyecto INTER-IoT es in proyecto H2020 financiado pro la Union europea. El Proyecto Establish, es un proyecto desarrollado dentro del Programa intenacional ITEA3 (ID 15008) que esta siendo financiado por el CDTi.