Desarrollo de proyectos IoT utilizando Raspberry Pi como plataforma D. Miguel Ángel Martínez ...

140 Pages·2017·7.89 MB·Spanish

Desarrollo de proyectos IoT utilizando
Raspberry Pi como plataforma
D. Miguel Ángel Martínez Sánchez
Desarrollo de proyectos IoT utilizando Raspberry Pi como
plataforma
D.MiguelÁngelMartínezSánchez
Tutorizadapor
D.PedroSánchezPalma
D.DiegoFernándezÁlvarez
Índice general
Resumen 1
1. Introducción 2
2. ElInternetdelasCosas 5
2.1. BarrerasenelcrecimientodelIoT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2. Características . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.1. ArquitecturadelIoT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.2. Áreasdeaplicación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3. MiddlewareenIoT 13
3.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2. CoAP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.2.1. CaracterísticasCoAP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.3. UbiROAD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.4. Agilla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.5. TinySOA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.6. MQTT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.7. Conclusión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
ÍNDICEGENERAL ii
4. MQTT 19
4.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.2. Protocolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.3. MQTT-SN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.3.1. Redesdesensoresinalámbricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.3.2. MQTT-SN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.3.3. ArquitecturaMQTT-SN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.3.4. MQTTvsMQTT-SN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.4. Requisitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.4.1. Requisitosfuncionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.4.2. Requisitosnofuncionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.4.3. Requisitosarquitectónicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.4.4. Documentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.5. CloudComputing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.6. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5. PlataformasIoT 36
5.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
5.2. Características . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.2.1. Plataformas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
5.3. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
6. OpenIoT 42
6.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
6.2. Plataforma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
6.2.1. Arquitectura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
ÍNDICEGENERAL iii
6.2.2. Flujodedatos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
6.3. Requisitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
6.3.1. Requisitosfuncionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
6.3.2. Requisitosnofuncionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6.3.3. Requisitosarquitectónicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.4. OpenIoTenlapráctica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.4.1. Casosdeéxitoconlaplataforma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.5. Problemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
7. KAA 60
7.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
7.2. Arquitectura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
7.3. Funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
7.4. QuéofreceKaa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
7.4.1. Requisitosfuncionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
7.4.2. Requisitosnofuncionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
7.4.3. Requisitosarquitectónicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
7.5. Usodelaplataforma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
7.5.1. Instalación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
7.5.2. Característicasdelaplataforma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
7.5.3. Edgeanalytics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
7.6. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
8. Casodeestudio 87
8.1. Ejemplosprácticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
8.1.1. Configuracióndedatos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
ÍNDICEGENERAL iv
8.1.2. Coleccióndedatos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
8.1.3. Perfilesygrupos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
8.1.4. Chatmedianteeventos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
8.1.5. Activacióndeactuadorestrasrecopilaciónyanálisisdedatos. . . . . . . 94
8.2. EjemplodecasodeestudioparaSmartFarming . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
9. Conclusionesytrabajosfuturos 102
9.1. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
9.2. Trabajosfuturos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
Anexos 104
A. Configuraciónenelladodelservidor 105
A.1. Esquemadeconfiguración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
A.2. Esquemadedatos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
A.3. Esquemadenotificaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
A.4. Esquemadelladodelcliente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
A.5. Esquemasdeeventos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
A.6. Gruposdeendpoint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
A.7. Mapeodefamiliasdeeventosyverificadordeusuario . . . . . . . . . . . . . . . 109
A.8. NodeJS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
B. Configuraciónenelladodelcliente 113
B.1. Endpointsdelgrupo1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
B.2. Endpointsdelgrupo2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
B.3. Librerías . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
Resumen
Elobjetivodeesteproyectoesdesarrollarcasoscanónicosdemini-proyectosdeInternetde
las Cosas utilizando la plataforma Raspberry pi y hacer una propuesta de despliegue para un
caso de estudio agronómico inicial. Para realizar la propuesta se ha procedido al estudio de di-
ferentes plataformas-middleware IoT. El estudio se ha realizado tanto desde un punto de vista
teórico como desde un punto de vista práctico. Con el análisis realizado en este documento se
pretende dar respuesta a qué middleware/plataforma IoT es el más adecuado para el escenario
IoTplanteado.
1 Introducción
El escenario inicial planteado se muestra en la figura 1.1. Tal y como se describe en [1], la
red se compone de tres tipos distintos de nodos, cada uno de ellos con sus propias funciones
y posición en la jerarquía: los Nodos Locales en la parte inferior de la jerarquía, los Nodos de
Coordinación Locales en la parte intermedia y los Nodos de Coordinación en la parte más alta
delajerarquía.
• Nodos Locales (LNs): Estos nodos físicos son los más básicos y su principal función es la
demonitorizarelentornoyreaccionardeacuerdoalestadodelmismo.Podríanasímismo
intercambiarmensajesconotrosnodososolicitarserviciosweb,aunquenoessuobjetivo
principal.EstándirectamentesubordinadosalosNodosdeCoordinaciónLocales.
• Nodos de Coordinación Locales (LCNs): Situados en el medio de la jerarquía, la principal
misión de estos nodos físicos es la de coordinar las diferentes redes de LNs y actuar co-
mobrokersanteagentesyserviciosexternos.Aunquenosonobligadas,tambiénpodrían
disponerdecapacidadesdemonitorizaciónyactuación.
• Nodos de Coordinación (CNs): Estos nodos, ubicados en la cima de la jerarquía, no dis-
ponen de la capacidad para monitorizar y actuar sobre el entorno, y se encargan exclu-
sivamente de coordinar las diferentes redes de LCN, actuar como brokers ante agentes y
servicios externos, y conectar con la Nube. Algunos de estos nodos podrían ser virtuales
enlugardefísicosenfuncióndelosrequisitosdelaaplicación.
1.introducción 3
Fig1.1.Escenarioinicialplanteado.
Seharealizadoundetalladoanálisisdediferentesplataformasmiddlewareopen-sourceparade-
terminarcuáleslamásidóneaparaestaarquitectura.Paralarealizacióndeesteanálisissehan
seguido las pautas del artículo "Middleware for Internet of Things" [2] en el que se describe los
requisitosfuncionales,nofuncionalesyarquitectónicosqueunmiddlewareIoTdebesatisfacer.
Estosrequisitosquedanrecogidosenlatabla1.1.
1.introducción 4
(b)Requisitosnofuncionales.
(a)Requisitosfuncionales.
(c)Requisitosarquitectónicos.
Tab1.1.RequisitosparaunmiddlewareIoT.
Sehainvestigadoquérequisitossonsatisfechosporelmiddlewareanalizadoy,enenelcaso
delosrequisitosnosatisfechos,cómosuplirsuscarencias.