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Tecnología IoT en refrigeración (I)

IoT refrigeraciónEn este artículo hablaremos sobre las soluciones IoT para aplicaciones comerciales de automatización y monitoreo.

Por Ing. Misael González*

Durante los últimos últimos tres años el término IoT se ha vuelto una tendencia, este conjunto de tecnologías ha generado grandes beneficios en el sector industrial y un avance tremendo en las aplicaciones residenciales, sin embargo, el sector comercial parece relegado a un cambio más lento y cauteloso.

Empezando desde la definición misma de IoT y teniendo en cuenta la arquitectura que la integra, en este documento se explicarán las principales implicaciones de optar por soluciones IoT en el sector comercial y sus áreas de oportunidad que justificarían una migración más segura y acelerada a este tipo de tecnologías.

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Introducción al concepto IoT (Definición)
IoT es la abreviación para Internet de las cosas, y principalmente hace referencia a la capacidad de ciertos objetos para conectarse a internet. Esta sería una definición bastante acotada que no termina de describir el verdadero uso de este concepto, pues IoT es un término que se creo a partir de la aparición y mejora progresiva de diferentes tecnologías de almacenamiento, conectividad y procesamiento.

En el artículo The Internet of Things (IoT): An Overview (Abdul-Qawy, Antar, Magesh, E & Tadisetty, Srinivasulu 2015) i el internet de las cosas se define como una red de dispositivos heterogéneos en la que se espera que su interconexión habilite aplicaciones avanzadas e inteligentes y que haga que la comunicación y la automatización, en prácticamente cualquier sector, sea una tarea fácil y alcanzable.

Y es con este enfoque con el que analizaremos el uso actual de las soluciones basadas en IoT, esto quiere decir, que nos enfocaremos en las aplicaciones de automatización y control de variables dejando de lado las posibles aplicaciones del marketing digital y de experiencia de usuario que en general están relacionadas con el Big Data y modelos de análisis predictivo.

Enfoques
El concepto de IoT está integrado por tres enfoques distintos en los que, dependiendo de la aplicación, se hará especial énfasis para obtener los resultados deseados.

Luigi Atzori et al considera que el concepto de IoT nace de tres visiones que convergen en un solo paradigma llamado internet de las cosas, estas tres visiones convergentes son Enfoque orientado a el internet (Software intermedio), orientado a los objetos o cosas (sensores) y orientado a la semántica (conocimiento) (Gubbi, J., Buyya, R., Marusic, S., & Palaniswami, M., 2013) ii.

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Con base en alguno de estos tres enfoques es que un interesado puede decidir si es conveniente o no para su negocio implementar una solución basada en IoT, por lo que a continuación se describen brevemente los tres enfoques.

Enfoque orientado a los objetos
En esta visión el rol principal lo tiene el objeto, pues es este el que termina ejecutando alguna tarea relevante en el mundo físico, el objeto puede ser un actuador, un sensor o prácticamente cualquier dispositivo cuya conectividad permita que se acceda fácilmente a su información o que permita controlarlo.
De esta visión surge el concepto de Smart object o Smart ítem que hace referencia dispositivos que cumplen con tres características: conciencia, representación e interacción (Kortuem, et al., 2010)iii. Al decir que un objeto tiene conciencia se infiere su capacidad para percibir, interpretar y reaccionar a los eventos del mundo físico, el concepto de representación comprende a las aplicaciones y los modelos de programación que lo integran y finalmente el concepto de interacción hace referencia a las capacidades del objeto para “conversar” con el usuario en términos de entradas y salidas.

Enfoque orientado al internet
El punto central de este enfoque es la conectividad a través de internet donde lo que se busca es acceder desde locaciones remotas a un objeto o un conjunto de ellos, es por esa razón que el middleware toma protagonismo en esta visión.

El concepto de middleware o software intermedio se define como aquel que se sitúa entre un sistema operativo y las aplicaciones que se ejecutan en él. Básicamente, funciona como una capa de traducción oculta para permitir la comunicación y la administración de datos en aplicaciones distribuidas (What is Middleware | Microsoft Azure, 2020)iv.

En esta visión surge el concepto de Web of things (WoT) que se centra en las redes de dispositivos, la eficiencia de su conectividad y la simplificación de IP’s para dispositivos que tiene una capacidad limitada de almacenamiento (Guinard, D., and T. Vlad, 2009)v.

Estas aplicaciones distribuidas serían los objetos, y el middleware permitirá la conexión con ellos a través de una aplicación que permita visualizar la información que se está transmitiendo de forma gráfica y ordenada, en este caso un servidor ampliaría y dado caso supliría el almacenamiento de los dispositivos conectados.

Enfoque orientado a la semántica
En este tercer enfoque, la importancia recae en la información y la manera en que se procesa, teniendo en cuenta que puede haber un universo de información masivo emitido por una cantidad igualmente masiva de objetos (Atzori, L., A. Iera, & G. Morabito, 2010)vi.

Bajo este enfoque surge el concepto de Semantic web en donde se busca que la información que esta almacenada en la web sea procesable por máquina (machine-procesable) y que por medio de agentes automatizados sea exportada y combinada con información de la web (Toma, Ioan, Simperl, Elena, Hench, Graham, 2009)vii.

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Es en este punto donde la inteligencia artificial y el concepto de machine learning cobran relevancia.

Arquitectura
Para definir la arquitectura adecuada con base en las tres visiones mencionadas anteriormente hay que entender que un sistema basado en IoT conecta una serie de dispositivos heterogéneos y dispersos tanto en el mundo físico como en el mundo virtual (Chun Kit Ng, Chun Ho Wu, Kai Leung Yung, Wai Hung Ip & Tommy Cheung, 2018)viii por lo que exigen una arquitectura flexible, escalable y eficiente.

Los autores Li, Xu, y Zhao (2016)ix describen la arquitectura del IoT como una red multicapa que interconecta dispositivos para la adquisición, procesamiento e intercambio de información y describen las capas que conforman esta arquitectura de la siguiente manera:

• Capa de sensores y nodos finales: Las redes de sensores pueden detectar automáticamente el entorno e intercambiar datos entre dispositivos.

• Capa de red: Esta capa conecta todos los objetos y les permite conocer su entorno.

• Capa de servicios: esta capa recae en el middleware y proporciona al IoT una plataforma rentable donde las plataformas de hardware y software podrían reutilizarse.

• Capa de aplicación-interfaz: esta última capa involucra una variedad de interfaces para el usuario acorde a la aplicación de la solución ej. mantenimiento, salud, etc.

La arquitectura del IoT está relacionada con la estructura de la cadena de frío la cual podríamos considerar como una cadena de suministro donde se debe controlar la temperatura en todo momento. Este concepto es importante para el área comercial pues de esto depende en gran medida la operación de muchos sectores comerciales que se analizaran mas adelante.

Los autores Yinuo Zhang y Guowei Hua (2016) x en su artículo Intelligent Food Cold Chain System Design diseñaron la estructura de un sistema inteligente para la cadena de frío Como puede observarse en la figura 2.1 la estructura está constituida por 5 capas, 3 de ellas muy parecidas a la estructura propuesta por Li, Xu, y Zhao para los sistemas basados en IoT: capa de sensores, capa de red y capa de aplicación, sin embargo, aquí se agregan dos capas que en realidad están relacionadas con los usuarios finales y la operación especifica de la cadena de frío: la capa de operación y la capa de usuario.

Fig. 1: Estructura funcional de un sistema de cadena de frío inteligente. Fuente: (Yinuo Zhang & Guowei Hua, 2020)10.

Esta distinción es importante para el estudio de las soluciones IoT aplicadas a instalaciones comerciales por los siguientes motivos:
- Capa de operación: mientras que en aplicaciones industriales se tiene acotado que la solución esta destinada a una instalación o planta en especifico y en el caso residencial a un vivienda como tal, en el área comercial se pueden llegar a tener grandes cantidades de instalaciones que deben operar de manera uniforme en diferentes locaciones y bajo diferentes condiciones, ademas la operación total va mas allá de un solo tipo de instalación pues debe contemplarse que la cadena de frío está integrada por producción, almacenamiento, transporte y venta.

- Capa de usuario: Las regulaciones en el sector comercial son distintas a las del sector comercial e industrial y varían de región a región, ademas la operación esta condicionada al cliente y no necesariamente a un trabajador o empleado, como en el área industrial.

Por esta razón, la arquitectura de las soluciones IoT para aplicaciones comerciales deberá construirse con base en las necesidades de sectores específicos y con la capacidad de adaptarse a diferentes presupuestos y tamaños de operación, si bien puede enfocarse a una sola instalación, cuyo tamaño puede variar en gran medida, también es posible que la necesidad exija integrar grandes cantidades de información provenientes de múltiples sitios distribuidos en varias regiones.

Si bien, la cadena de frío es un punto central en las aplicaciones comerciales, es importante señalar que las soluciones de control y monitoreo basadas en IoT usualmente tendrán la capacidad de expandir su uso más allá de la refrigeración y el aire acondicionado.

Clasificación de las soluciones de control
Para clasificar el equipo de control y monitoreo que integra la capa de sensores y la capa de red, se pueden dividir las soluciones en 3 modelos definidos por su arquitectura: Sistemas centralizados, descentralizados y distribuidos, clasificación comúnmente usada para los sistemas de control en general.

- Sistemas centralizados: Ian Sommerville (2020) xi define los sistemas de control centralizados como un modelo en donde un componente es designado como controlador el cual es responsable de administrar la ejecución de otros componentes. Además, divide este modelo en dos clases:

Modelo Call-return: En este modelo se ejecutan subrutinas de forma secuencial, estas rutinas son llamadas por un programa principal que ejecutara cada programa siempre en el mismo orden.
Modelo Manager: En este modelo un componente del sistema designado como manager controla el inicio, terminación, coordinación y agenda otros procesos del sistema. Un proceso puede ser un componente o modulo que puede ejecutarse de forma paralela junto con otros procesos.

Una solución de control centralizada debería permitir integrar componentes de diferentes categorías y clasificaciones a un solo sistema central, esto con el fin de unificar la información generada para su análisis posterior.

Figura 2.

- Sistemas descentralizados: La real academia de ingeniería define al control descentralizado como una estructura de control de sistemas complejos que consiste en el control independiente de los distintos subsistemas que lo forman (Real Academia de Ingeniería, 2020)xii.

Prácticamente, en este modelo se instalan nodos que responden a un sistema de control central pero que por si mismos integran varias señales de entradas y salidas, aumentando así la flexibilidad de todo el sistema disminuyendo la cantidad de cableado que requiere su instalación, reduciéndolo a simplemente canalizaciones de comunicación con el sistema central y en algunas ocasiones esta comunicación podrá hacerse de forma inalámbrica siempre que las distancias no sean tan largas y no exista gran numero de barreras físicas.

El almacenamiento de datos sin embargo sigue dependiendo de un sistema central en este modelo.
Sistemas distribuidos: Un sistema de control distribuido (DCS) es un sistema de control automatizado especialmente diseñado que consta de elementos de control distribuidos geográficamente sobre la planta o el área de control (What is Distributed Control System (DCS)?, 2020)xiii.

En esta configuración cada proceso o máquina cuenta con un controlador que no depende de un sistema central para ejecutar sus funciones, sin embargo, puede coordinarse con uno para enviar información y procesar cambios de configuración. Debido a esto, se tienen varios controladores ubicados en diferentes partes de la instalación que comunican entre sí con una red de alta velocidad.

Este modelo ofrece mayor seguridad frente a posibles fallas con respecto a un sistema centralizado, ya que los controladores son independientes y si se llegara a generar un problema con la comunicación o el tablero principal, cada controlador seguiría siendo capaz de ejecutar sus funciones.

A diferencia de un sistema descentralizado, la información puede almacenarse en cada controlador y aunque puede recolectarse para obtenerse un panorama completo de la instalación, en este modelo el sistema central es en realidad un añadido que no afecta en si la operación del sistema.

Sectores comerciales de aplicación
De acuerdo con la publicación Top Markets Report Cold Chain, 2016 del departamento de comercio de Estados Unidos, México se encuentra en constante crecimiento en cuanto a la cadena de suministro con un estimado del 7% anual, además cuenta con 5 millones de metros cuadrados para el almacenamiento de perecederos y durante el periodo del 2008-2013 hubo un crecimiento del 54% en el mercado compartido de los supermercados modernos y un notable aumento en la demanda de alimentos importados. Siendo, además, el quinto mercado más importante para las franquicias de comida rápida (The International Trade Administration, 2016)xiv.

Considerando lo anterior, existe una gran oportunidad en el área comercial para soluciones IoT, sin embargo, el análisis de las necesidades del área comercial no puede abordarse de manera directa debido a lo amplio que es el concepto, así que primeramente es necesario identificar las necesidades de cada sector y agruparlas.

Los sectores en los que podemos agrupar las necesidades de las aplicaciones comerciales son Almacenamiento, Transporte, Venta de alimentos (Supermercados) y Servicios de alimentos (Hoteles, Restaurantes, entre otros).

- Almacenamiento: Este sector tiene en cuenta grandes almacenes en los que se requieren sistemas de aire acondicionado y calefacción en áreas productivas y también de oficinas, además, algunos de estos grandes almacenes o centros de distribución cuentan con cámaras de refrigeración y/o congelación para almacenar productos perecederos. Una de las principales características de este tipo de edificios es la extensión de superficie construida que puede ir desde los 4,000 m2 a extensiones tan sorprendentes como las del más reciente centro de distribución de mercado libre en el estado de Jalisco, México con aproximadamente 80,000 m2 de construcción planeados (Duarte, E., 2020)xv.

Con estas características específicas, las necesidades de control y monitoreo de este tipo de edificios pueden extenderse al control de luminarias y de medición de consumo energético, pasando por medición y control de variables más especializadas como humedad relativa y niveles de Co2.

Las soluciones basadas en IoT cobran relevancia cuando se integran todas estas mediciones y sistemas de control en un sistema centralizado, esto no es un concepto nuevo para instalaciones de este tipo, en el informe de la conferencia Facility information access protocol for data-centric building automation systems publicado en 2011 se menciona la importancia de los datos históricos generados por sensores que normalmente no son utilizados para accionar algún sistema en específico (Ochiai et al., 2011)xvi, sin embargo su uso tiene aplicaciones en la toma de decisiones que permiten mejorar la eficiencia del edificio una vez que son analizados, muchas veces en conjunto con otras variables para entender la operación completa de la instalación.

Las necesidades de este tipo de instalaciones pueden ser de control y monitoreo o simplemente de monitoreo.

Sin embargo, por el tamaño de las instalaciones es probable que al elegir sistemas inalámbricos se encuentren obstáculos físicos y grandes distancias que limiten la conectividad de los sensores, haciendo necesario instalar una gran cantidad de gateways.

Nota: En la próxima edición presentaremos la segunda parte de este artículo donde se desarrollarán el resto de aplicaciones comerciales en la cadena de frío, así como el tema de ahorro de energía, áreas de oportunidad, mantenimiento, entre otros aspectos importantes.

* Por Misael González. Application Development Engineer - Emerson, Commercial & Residential Solutions.

Referencias
1. Abdul-Qawy, Antar & Magesh, E & Tadisetty, Srinivasulu. (2015). The Internet of Things (IoT): An Overview. 5. 71-82.

2. Gubbi, J., Buyya, R., Marusic, S., & Palaniswami, M. (2013). Internet of Things (IoT): A vision, architectural elements, and future directions. Future Generation Computer Systems, 29(7), 1646-1647. doi: 10.1016/j.future.2013.01.010 (Dong, 2007)

3. Kortuem, Gerd & Kawsar, Fahim & Fitton, Daniel & Sundramoorthy, Vasughi. (2010). Smart Objects as Building Blocks for the Internet of Things. Internet Computing, IEEE. 14. 44 - 51. 10.1109/MIC.2009.143.

4. What is Middleware - Definition and Examples | Microsoft Azure. (2020). Retrieved 12 August 2020.

5. Guinard, D., and T. Vlad 2009. “Towards the Web of Things: Web Mashups for Embedded Devices.” In Proceedings of the International World Wide Web Conference 2009 (WWW 2009). Spain: Madrid, April 2009.

6. Atzori, L., A. Iera, and G. Morabito. 2010. “The Internet of Things: A Survey.” Computer Networks 54 (15): 2787–2805. doi:10.1016/j.comnet.2010.05.010.

7. Toma, Ioan & Simperl, Elena & Hench, Graham. (2009). A joint roadmap for semantic technologies and the Internet of Things.

8. Chun Kit Ng, Chun Ho Wu, Kai Leung Yung, Wai Hung Ip & Tommy Cheung (2018) A semantic similarity analysis of Internet of Things, Enterprise Information Systems, 12:7, 820-855, DOI: 10.1080/17517575.2018.1464666

9. Li, Shancang & Tryfonas, Theo & Li, Honglei. (2016). The Internet of Things: a security point of view. Internet Research. 26. 337-359. 10.1108/IntR-07-2014-0173.

10. Zhang, Yinuo & Hua, Guowei. (2020). Intelligent Food Cold Chain System Design. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 782. 032045. 10.1088/1757-899X/782/3/032045.

11. Sommerville, I. (2020). Event-driven control. Retrieved 31 August 2020, from https://iansommerville.com/software-engineering-book/static/web/archpatterns/centralized-control/

12. Real Academia de Ingeniería. (2020). Diccionario Español de Ingeniería. Technosite-Grupo Fundosa. http://diccionario.raing.es.

13. What is Distributed Control System (DCS)? - Electrical Technology. (2020). Retrieved 2 September 2020, from https://www.electricaltechnology.org/2016/08/distributed-control-system-dcs.html

 

14. The International Trade Administration. (2016). 2016 Top Markets Report Cold Chain Country Case Study (pp. 49-51).

15. Duarte, E. (2020). Mercado Libre anuncia inversión de nuevo cedis en Jalisco. Retrieved 26 August 2020, from http://t21.com.mx/logistica/2020/07/23/mercado-libre-anuncia-inversion-nuevo-cedis-jalisco

16. Ochiai, Hideya & Ishiyama, Masahiro & Momose, Tsuyoshi & Fujiwara, Noriaki & Ito, Kosuke & Inagaki, Hirohito & Nakagawa, Akira & Esaki, Hiroshi. (2011). FIAP: Facility information access protocol for data-centric building automation systems. 229 - 234. 10.1109/INFCOMW.2011.5928814.

Duván Chaverra
Author: Duván Chaverra
Editor Jefe
Jefe Editorial en Latin Press, Inc,. Comunicador Social y Periodista con experiencia de más de 15 años en medios de comunicación. Apasionado por la tecnología y por esta industria. [email protected]

2 ideas en “Tecnología IoT en refrigeración (I)”

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  1. Patricio Bastidas
    Jueves, 14 Enero 2021 19:38

    BUenas, me parece muy interesante y clarificador esta nota, quisiera pedirles si pueden desarrollar el uso de este sistema en una maquina como un terminal de consulta de datos, el cual contiene varios equipos que interactúan entre si en ambiente windows, desde sensores de lectura de huella, monitores, UCP, equipos de trans-banc, etc. 

    1. Misael González
      Jueves, 14 Enero 2021 22:22

      Hola Patricio, la aplicación que mencionas parece más enfocada al manejo de datos y tendría más sentido utilizar bases de datos, un middleware y una interfaz de usuario. Los monitores y los sensores de huellas no son precisamente parte del internet de las cosas pues no tienen conectividad a la red ni almacenan o generan informacion por si mismos para interactuar con el mundo físico. Es importante destacar que no siempre es necesario ni eficiente usar sistemas basados en IoT para automatizar tareas o procesar y generar informacion. En la siguiente parte del articulo hablaremos sobre algunas aplicaciones de estos sistemas en el sector comercial y como se justifican.

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