Universidad del Azuay Facultad de Ciencias de la Administración

158 Pages·2017·5.07 MB·Spanish

Universidad del Azuay
Facultad de Ciencias de la Administración

Escuela de Ingeniería de Sistemas y Telemática

Prototipo de monitoreo ambiental aplicando el Internet de las cosas con
Arduino y Cloud Computing

Trabajo de graduación previo a la obtención del título de Ingeniero de
Sistemas y Telemática

Autores:
Francisco David Salgado Castillo
David Santiago Coello Moncayo

Director: Ing. Oswaldo Merchán Manzano, Msc.

Cuenca, Ecuador
2015
Dedicatoria
Le dedico este trabajo a Eliana Moncayo, que gracias a su apoyo incondicional pude
alcanzar esta meta tan importante en mi vida, fue el pilar de mi vida universitaria que
siempre estuvo ahí para impulsarme a seguir adelante y me alentó en los momentos más
difíciles.
A Lucía Robalino, quien siempre me motivó a seguir adelante y así, al transformarse en
mi compañera de vida, tuve la dicha de tener a alguien que esté ahí siempre que lo necesite
y dándome su total apoyo y ánimo en todo momento.
A Jaime Matovelle, Juan Sebastián Landy, Juan Pablo León, Danny Noboa, Darío
Espinoza, Santiago Vásquez, Cesar Vele, Francisco Salgado, Juan Esteban Calderón,
Nataly Pizarro, Fabián Atariguana, Byron Guamán, William León, Verónica Peñafiel,
Víctor Córdova, Henry Portilla, que gracias a esta carrera tuve la suerte de conocerlos y
llegar a considerarlos en mi vida como mis amigos y que sin ellos mi vida universitaria y
sobre todo la personal no hubiera sido la misma y que ahora conforman una parte muy
importante en mi vida.
A Rómulo Astudillo, Giovanni Cordero, Andrés Bustamante, Javier Coello y Christian
Aguilera, que son mis primeros amigos de la vida y que siempre estuvieron pendientes
de mí, apoyándome y dándome fuerzas en los momentos difíciles de la carrera.

David Santiago Coello Moncayo
Dedicatoria
A mi familia y amigos, quienes me acompañaron y apoyaron durante todo este camino en
la Universidad. A mis hermanas y hermano por todo lo que hemos podido compartir. A
mi Mamá, Luz Marina, una incansable luchadora llena de amor que ha hecho de mí la
persona que soy hoy. Y a mi Papá, Francisco, con quien tuve la maravillosa suerte de
tenerlo como profesor; por su constante guía, enseñanza y cariño.

Francisco David Salgado Castillo
Agradecimiento
A nuestro Director, el Ingeniero Oswaldo Merchán, por su paciencia y apertura. Un
admirable académico que nos llena de orgullo el haber trabajado con él.
Al personal del IERSE, en especial al Ingeniero Chester Sellers y al Ingeniero Omar
Delgado; por su guía y apoyo en la realización de este trabajo y con quienes esperamos
trabajar nuevamente en futuros proyectos.
Y a la Universidad del Azuay, la cual nos ha impartido una formación profesional y
humana; con la que esperamos servir de manera correcta a nuestra sociedad.
ABSTRACT
This graduation work is about the development of an electronic prototype for
monitoring the environmental variables: temperature, humidity, noise and CO
concentration based on an approach focused on the concept of the "Internet of
Things" Cloud Computing, and Wireless Sensor Networks (WSN). The prototype is
made of Arduino free hardware plate which communicates via Ethernet and Wi-Fi
through the Internet to ThingSpeak platform for processing data in the cloud, and
then displaying the corresponding monitoring graphics in a web browser.
~d'~v-
Dpto. ldiornas
Lie. Lourdes Crespo
RESUMEN
El presente trabajo de titulación consiste en el desarrollo de un prototipo electrónico
para el monitoreo de las variables ambientales: temperatura, humedad, ruido y
concentración de CO, desde un abordaje enfocado al concepto de la “Internet de las
Cosas”, Computación en la Nube, y Redes de Sensores Inalámbricos (WSN). El
prototipo está realizado con la placa de hardware libre Arduino que se comunica por
medio de Ethernet y WiFi con el internet a la plataforma ThingSpeak para el
procesamiento de los datos en la nube. Finalmente, se realiza la gestión de la
información que permite mostrar los gráficos de monitoreo correspondientes en un
navegador web.
Índice de Contenidos
Índice de Contenidos ..................................................................................................... i
Índice de Figuras ......................................................................................................... vi
Índice de Tablas .......................................................................................................... ix
Índice de Listados ....................................................................................................... ix
1. CAPÍTULO 1: El Internet de las Cosas ................................................................ 1
Introducción .............................................................................................................. 1
1.1. Definición ...................................................................................................... 1
1.2. Breve historia ................................................................................................ 2
1.3. Estándares y Expectativas ............................................................................. 2
1.4. Interacción con el Internet ............................................................................. 4
1.5. Aplicaciones .................................................................................................. 7
1.6. De IT a IoT .................................................................................................... 7
1.6.1. I & T ....................................................................................................... 8
1.7. Definición de IoT por la ITU-T ..................................................................... 9
1.8. Arquitectura de IoT ....................................................................................... 9
1.9. Clasificación de las aplicaciones de IoT ..................................................... 12
1.10. Capas de IoT ............................................................................................ 16
1.11. Necesidades IoT ....................................................................................... 17
1.11.1. Desafíos en la creación de redes de investigación para IoT. ................ 17
1.12. Protocolos para IoT .................................................................................. 19
Conclusiones .......................................................................................................... 22
2. CAPÍTULO 2: Computación en la Nube ............................................................ 23
Introducción ............................................................................................................ 23
2.1. Definición .................................................................................................... 23
2.2. Breve historia .............................................................................................. 24
2.3. Arquitecturas y Servicios Básicos ............................................................... 25
i
2.3.1. Componentes de la Computación en la Nube ...................................... 25
2.3.2. Modelos y Arquitecturas de la Computación en la Nube .................... 26
2.3.3. Beneficios de la Computación en la Nube ........................................... 28
2.4. Comunicación con la Nube utilizando Servicios Web ................................ 30
2.4.1. Servicios Web SOAP y RESTful ......................................................... 32
2.4.1.1. SOAP ............................................................................................ 32
2.4.1.2. REST ............................................................................................. 33
2.5. Computación en la Nube y el Internet de las Cosas .................................... 34
2.5.1. Lista de plataformas disponibles .......................................................... 34
Conclusiones .......................................................................................................... 36
3. CAPÍTULO 3: Red de Sensores Inalámbricos (WSN) ....................................... 37
Introducción: .......................................................................................................... 37
3.1. Definición .................................................................................................... 37
3.2. Factores a considerar en el Diseño: ............................................................. 39
3.3. Arquitectura De Protocolos ......................................................................... 40
3.4. Tipos de Gateways ...................................................................................... 41
3.4.1. Los Gateways Programables ................................................................ 41
3.4.2. Gateway Tipo C: .................................................................................. 41
3.4.3. Gateway Ethernet: ................................................................................ 42
3.5. Esquema de una Red WSN.......................................................................... 42
3.6. Nodos que forman una WSN. ...................................................................... 43
3.7. Ventajas y Beneficios de elegir una Red Inalámbrica ................................. 44
Conclusiones .......................................................................................................... 45
4. CAPÍTULO 4: Internet de las Cosas en la Actualidad, Futuro y Seguridad ...... 46
Introducción ............................................................................................................ 46
4.1. Caso Google – Carnegie Mellon ................................................................. 46
4.2. Caso IBM .................................................................................................... 47
ii
4.3. Caso ARM ................................................................................................... 48
4.4. Caso Bosch .................................................................................................. 49
4.5. Caso CyberLightning .................................................................................. 50
4.6. Implementaciones y futuro del internet de las cosas ................................... 51
4.6.1. La Industria de Internet ........................................................................ 54
4.7. Seguridad para el Internet de las Cosas ....................................................... 58
Conclusiones .......................................................................................................... 62
5. CAPÍTULO 5: Hardware y Sensores.................................................................. 64
Introducción ............................................................................................................ 64
5.1. Placa Arduino .............................................................................................. 64
5.2. ¿Por qué escoger Arduino? .......................................................................... 65
5.2.1. Características Técnicas ....................................................................... 66
5.2.1.1. Alimentación ................................................................................. 67
5.2.1.2. Memoria ........................................................................................ 69
5.2.1.3. Entrada y Salida ............................................................................ 69
5.3. Shields de Arduino ...................................................................................... 70
5.3.1. Arduino Ethernet Shield ....................................................................... 70
5.3.2. Arduino WiFi Shield ............................................................................ 72
5.4. Sensores ....................................................................................................... 74
5.4.1. Temperatura y Humedad ...................................................................... 74
5.4.2. Concentración de CO ........................................................................... 75
5.4.3. Ruido (Sonido) ..................................................................................... 80
Conclusiones .......................................................................................................... 81
6. CAPÍTULO 6: Software y Plataformas .............................................................. 82
Introducción ............................................................................................................ 82
6.1. Arduino IDE ................................................................................................ 82
6.2. ThingSpeak .................................................................................................. 83
iii
6.2.1. Interfaces de la plataforma ................................................................... 85
6.2.2. Sumario ................................................................................................ 87
6.3. Nimbits ........................................................................................................ 88
6.3.1. Compatibilidad con Arduino ................................................................ 89
Conclusiones .......................................................................................................... 89
7. CAPÍTULO 7: Pruebas y Resultados del Prototipo de Monitoreo Ambiental ... 90
Introducción ............................................................................................................ 90
7.1. Temperatura y Humedad ............................................................................. 90
7.1.1. Código de Programación ...................................................................... 91
7.1.2. Salida del Programa ............................................................................. 91
7.1.3. Resultados ............................................................................................ 94
7.2. Concentración de CO .................................................................................. 95
7.2.1. Código de programación ...................................................................... 95
7.2.2. Salida del Programa ............................................................................. 96
7.2.3. Resultados ............................................................................................ 96
7.3. Ruido (Sonido) ............................................................................................ 97
7.3.1. Código de Programación ...................................................................... 98
7.3.2. Salida del Programa ............................................................................. 98
7.3.3. Resultados .......................................................................................... 100
7.4. Envío de los datos al canal de ThingSpeak ............................................... 100
7.4.1. Envío mediante Ethernet .................................................................... 100
7.4.1.1. Código de Programación ............................................................ 101
7.4.1.2. Salida del Programa .................................................................... 104
7.4.1.3. Resultados ................................................................................... 104
7.4.2. Envío mediante WiFi ......................................................................... 106
7.4.2.1. Código de programación ............................................................. 106
7.4.2.2. Salida del Programa .................................................................... 111
iv