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Development of a comprehensive environmental monitoring and real-time processing system using Raspberry Pi, IoT and Cloud Computing
Desenvolvimento de um sistema abrangente de monitorizao ambiental e processamento em tempo real utilizando Raspberry Pi, IoT e Cloud Computing
Correspondencia: fmorales@institutos.gob.ec
Ciencias Tcnicas y Aplicadas
Artculo de Investigacin
* Recibido: 11 de junio de 2024 *Aceptado: 20 de julio de 2024 * Publicado: 19 de agosto de 2024
I. Ingeniero de Sistemas y Computacin, Magster en Tecnologas de la Informacin Mencin en Seguridad de Redes y Comunicaciones, Magster en Educacin Mencin en Innovacin y Liderazgo Educativo, Docente de la Carrera de Desarrollo de Software, Instituto Superior Tecnolgico Pelileo, Ecuador.
II. Ingeniero en Sistemas, Magster en Informtica Empresarial, Docente de la Carrera de Desarrollo de Software, Instituto Superior Tecnolgico Pelileo, Ecuador.
III. Ingeniero en Sistemas e Informtica, Magster en Informtica Educativa, Docente en Matemticas, Unidad Educativa Eugenio Espejo, Pelileo, Ecuador.
IV. Licenciada en Ciencias de la Educacin Bsica, Magster en Gestin y Liderazgo Mencin Educacin, Diplomado en Educacin Superior, Docente en reas Bsicas, Unidad Educativa Nuevo Mundo, Ecuador.
Resumen
La revolucin tecnolgica que sugiere y obliga a emplear la tecnologa para observar las condiciones de trabajo en todo el proceso de fabricacin. El concepto de Internet de las Cosas (IoT) se ha extendido ampliamente y se utiliza en diversos sectores y mbitos, como las ciudades inteligentes, el transporte inteligente, la sanidad inteligente y la agricultura. Las plataformas IoT se han convertido en instrumentos esenciales al ofrecer datos rastreados y respuestas viables a problemas del mundo real. La integracin de sensores, dispositivos y sistemas inteligentes ha mejorado la toma de decisiones basada en datos, impulsando la comprensin, la administracin y la eficacia en varios sectores. Tres niveles principales componen la arquitectura de los sistemas basados en IoT. Los sensores y elementos conectados en red se encargan de recopilar datos en el nivel ms bajo, o nivel de dispositivo. El trnsito de datos a travs de tecnologas de comunicacin es facilitado por el nivel de red, que es el nivel intermedio. Las aplicaciones, el nivel ms alto, gestionan el procesamiento de datos y ofrecen servicios al usuario. La capacidad de dividir las numerosas operaciones de un sistema IoT en tres niveles discretos gracias a su estructura en capas facilita el diseo, la implantacin y la administracin.
Palabras clave: Revolucin tecnolgica; Internet de las cosas; Plataformas; Aplicaciones; Datos.
Abstract
The technological revolution that suggests and requires the use of technology to observe working conditions throughout the manufacturing process. The concept of the Internet of Things (IoT) has spread widely and is used in various sectors and areas such as smart cities, smart transportation, smart healthcare, and agriculture. IoT platforms have become essential instruments by offering tracked data and viable answers to real-world problems. The integration of smart sensors, devices, and systems has improved data-driven decision making, driving understanding, management, and efficiency across various industries. Three main levels make up the architecture of IoT-based systems. Sensors and networked elements are responsible for collecting data at the lowest level, or device level. Data transit through communication technologies is facilitated by the network level, which is the middle level. Applications, the highest level, manage data processing and offer services to the user. The ability to divide the numerous operations of an IoT system into three discrete levels thanks to its layered structure facilitates design, implementation, and management. Keywords: Technological revolution; Internet of things; Platforms; Applications; Data.
Resumo
A revoluo tecnolgica que sugere e obriga utilizao da tecnologia para observar as condies de trabalho durante todo o processo de fabrico. O conceito de Internet das Coisas (IoT) difundiu-se amplamente e utilizado em vrios setores e campos, tais como cidades inteligentes, transportes inteligentes, cuidados de sade inteligentes e agricultura. As plataformas IoT tornaram-se instrumentos essenciais para oferecer dados rastreados e respostas prticas para problemas do mundo real. A integrao de sensores, dispositivos e sistemas inteligentes melhorou a tomada de decises baseada em dados, impulsionando a compreenso, a gesto e a eficincia em vrios setores. Trs nveis principais constituem a arquitetura dos sistemas baseados em IoT. Os sensores e elementos de rede so responsveis pela recolha de dados no nvel mais baixo, ou nvel do dispositivo. O trnsito de dados atravs das tecnologias de comunicao facilitado pela camada de rede, que o nvel intermdio. As aplicaes, de mais alto nvel, gerem o processamento de dados e oferecem servios ao utilizador. A capacidade de dividir as numerosas operaes de um sistema IoT em trs nveis distintos, graas sua estrutura em camadas, facilita o design, a implementao e a gesto.
Palavras-chave: Revoluo tecnolgica; Internet das coisas; Plataformas; Aplicaes; Dados.
Introduccin
La conexin de objetos cotidianos a Internet se conoce como "Internet de los objetos". Para mejorar nuestra seguridad o gestionar la energa de forma ms eficaz, por ejemplo, o simplemente para hacernos la vida ms sencilla, se conectan entre s diversos productos de uso frecuente. El anlisis de las numerosas plataformas de software que son utilizadas en la actualidad, incluyendo sus caractersticas, ventajas, inconvenientes y mbitos de uso (Berger, 2021).
Adems de examinar las plataformas de software que se utilizan actualmente en la red, a las que se transmitirn los datos recogidos por nuestros sensores, tambin estudiaremos cmo construir nuestra propia plataforma en un servidor Raspberry Pi, lo que nos dar un control total sobre los datos y nos permitir utilizar un nmero infinito de sensores. El otro componente del Internet de las cosas son las plataformas de hardware, que examinaremos en funcin de su bajo coste, tamao y consumo energtico (Ahmed, 2021).
Es por ello que, el despliegue de redes de sensores inalmbricos (WSN) es crucial para habilitar una serie de funciones en tndem con los dispositivos de la Internet de las Cosas (IoT), aumentando as la utilidad total del sistema. Las WSN permiten que los dispositivos de un sistema IoT se comuniquen entre s, fomentando la coordinacin y el intercambio de informacin entre las distintas partes. Esto hace posible recopilar informacin de diversos sensores, que luego pueden utilizarse para supervisar y gestionar distintos componentes del sistema IoT (Berger, 2021).
Estas plataformas son las que nos permitirn recopilar datos de los sensores y comunicarnos con las plataformas de software para entregar los datos al usuario en su forma definitiva. Investigaremos cmo el sistema hardware-software interacta con los usuarios enviando mensajes por Whatsapp o Telegram para recibir alertas sobre posibles alarmas. Adems, podemos utilizar un tuit para apagar un ordenador de forma remota (Ahmed, 2021).
Por ltimo, se incluir en el proyecto un ejemplo real de representacin de un sensor en una plataforma de software. La Raspberry Pi servir como hardware y tambin le acoplaremos sensores. Para la monitorizacin posterior, se utilizarn varios tipos de sensores como es la temperatura, humedad, vigilancia, entre otros (Berger, 2021).
Los sistemas de monitoreo ambiental
Son herramientas y tecnologas que permiten recoger y analizar informacin en tiempo real sobre las condiciones medioambientales de una zona geogrfica determinada. Estos sistemas utilizan diversos sensores ambientales y dispositivos para medir distintas variables, como la calidad del aire, la temperatura, la humedad, el nivel de ruido, la radiacin y otros parmetros relevantes.
La "inteligencia" de estos sistemas procede del uso de algoritmos de aprendizaje automtico y del anlisis de datos avanzado para procesar y analizar los parmetros ambientales recopilados. Esto permite a las empresas detectar patrones y tendencias, identificar posibles problemas y tomar decisiones informadas en tiempo real. Adems, los sistemas inteligentes de vigilancia medioambiental suelen utilizar tecnologas de comunicacin en red para enviar datos y alertas, lo que permite una respuesta rpida ante una situacin de riesgo o emergencia ambiental.
IOT
Red de objetos fsicos (cosas) que incorporan sensores, software y otras tecnologas con el fin de conectar e intercambiar datos con otros dispositivos y sistemas a travs de Internet. Estos dispositivos van desde objetos domsticos comunes hasta herramientas industriales sofisticadas.
Cloud Computing
La computacin en la nube (cloud computing) es una tecnologa que permite acceso remoto a software, almacenamiento de archivos y procesamiento de datos por medio de Internet, siendo as, una alternativa a la ejecucin en una computadora personal o servidor local. En el modelo de nube, no hay necesidad de instalar aplicaciones localmente en computadoras. La computacin en la nube ofrece a los individuos y a las empresas la capacidad de un pool de recursos de computacin con buen mantenimiento, seguro, de fcil acceso y bajo demanda.
Iot Y Cloud En Las Pyme
Principalmente, lo que hace el IoT en los negocios es proveer funcionalidad en forma de nuevas aplicaciones o actualizaciones de firmware. Las plataformas IoT son neutrales respecto al hardware y el software. Se ocupan de gestionar procesos complejos y actualizaciones de hardware y software. La plataforma puede ocuparse tambin del proceso de autenticacin que de otra forma tendra que ser gestionado laboriosamente en el hardware y el software. Tanto para los administradores, como los usuarios y los desarrolladores de la aplicacin el resultado es el mismo: facilidad de uso.
El beneficio ms importante que para las PYMEs tiene una plataforma IoT de negocios es que el cliente puede decidir qu hardware y software se ocupan de qu funcin y cundo lo hacen. El usuario puede decidir con confianza qu datos se almacenan en qu ubicacin, y cundo se proporciona acceso a los mismos, y si los datos van a transferirse a la nube. Estas plataformas generan gran cantidad de datos. Subirlos todos a la nube, procesarlos y analizarlos puede requerir demasiado tiempo. En este caso, el edge computing es la mejor solucin. Cuando se aplica una mezcla de edge computing y nube, los datos que se preparan en la nube se transfieren a una inteligencia artificial que decide si el proceso de fabricacin ha sido correcto, en base a los datos recogidos.
Implementacin de monitoreo en tiempo real con sensores Raspberry Pi
La capacidad de monitorear y recopilar datos en tiempo real se ha vuelto cada vez ms importante en diversas industrias, desde la agricultura hasta la manufactura y la automatizacin del hogar inteligente. El monitoreo en tiempo real permite la deteccin inmediata de anomalas, la respuesta oportuna a situaciones crticas y la capacidad de tomar decisiones informadas basadas en informacin actualizada. En el mbito del Internet de las cosas (IoT), los sensores Raspberry Pi se han convertido en una opcin popular para implementar monitoreo en tiempo real debido a su asequibilidad, versatilidad y facilidad de uso.
Redes de sensores inalmbricos
Una opcin para implementar el monitoreo en tiempo real con sensores Raspberry Pi es mediante el uso de redes de sensores inalmbricos. Esto implica implementar mltiples dispositivos Raspberry Pi equipados con sensores y conectarlos de forma inalmbrica a un concentrador o servidor central. Los sensores se pueden colocar estratgicamente en varios lugares para monitorear diferentes parmetros como temperatura, humedad, intensidad de luz o movimiento. Luego, el centro central recopila y procesa los datos de estos sensores, proporcionando informacin y alertas en tiempo real cuando se exceden ciertos umbrales. Las redes de sensores inalmbricos ofrecen flexibilidad en trminos de escalabilidad y cobertura, lo que las hace adecuadas para aplicaciones de monitoreo a gran escala. Por ejemplo, en un entorno agrcola, se pueden implementar redes de sensores inalmbricos para monitorear los niveles de humedad del suelo, la temperatura y la humedad en diferentes reas de una granja. Estos datos se pueden utilizar para optimizar los programas de riego, prevenir enfermedades de los cultivos y mejorar el rendimiento general.
Monitoreo basado en la nube
Otra opcin para el monitoreo en tiempo real con sensores Raspberry Pi es aprovechar las plataformas basadas en la nube. Los servicios en la nube brindan una infraestructura escalable y confiable para procesar y almacenar datos de sensores, lo que permite el monitoreo en tiempo real desde cualquier lugar con una conexin a Internet. En esta configuracin, los sensores Raspberry Pi recopilan datos y los envan a la plataforma en la nube mediante protocolos como MQTT o HTTP. Luego, la plataforma en la nube procesa los datos, realiza anlisis y presenta los resultados en un panel fcil de usar. Por ejemplo, en un escenario de hogar inteligente, los sensores Raspberry Pi se pueden usar para monitorear la temperatura, la humedad y la ocupacin. Los datos recopilados por estos sensores se pueden enviar a una plataforma en la nube, que luego puede desencadenar acciones como ajustar el termostato o encender/apagar luces segn reglas predefinidas.
Computacin de borde
Edge Computing es un enfoque alternativo al monitoreo en tiempo real con sensores Raspberry Pi que implica procesar y analizar datos localmente en los propios dispositivos Raspberry Pi. Esto elimina la necesidad de una conectividad constante a Internet y reduce la latencia, lo que lo hace adecuado para aplicaciones donde la respuesta inmediata es fundamental. Luego, los datos procesados se pueden enviar a un servidor central o a una plataforma en la nube para su posterior anlisis y almacenamiento.
Por ejemplo, en un entorno de fabricacin, los sensores Raspberry Pi se pueden utilizar para monitorear las vibraciones, la temperatura y el consumo de energa de la mquina. Al realizar un anlisis en tiempo real en el borde, se pueden detectar anomalas y se pueden tomar las acciones apropiadas de inmediato, como apagar una mquina para evitar daos mayores. Cuando se trata de implementar monitoreo en tiempo real con sensores Raspberry Pi, existen mltiples opciones disponibles segn los requisitos especficos de la aplicacin. Las redes de sensores inalmbricos ofrecen escalabilidad y cobertura, las plataformas basadas en la nube brindan flexibilidad y accesibilidad, mientras que la informtica de punta ofrece baja latencia y respuesta inmediata. Es esencial evaluar cuidadosamente las necesidades del proyecto y elegir la opcin ms adecuada que se alinee con los resultados deseados.
Implementacin de monitoreo en tiempo real con IPS
En el panorama digital en constante evolucin, las empresas y organizaciones enfrentan amenazas de seguridad constantes y ataques cibernticos que pueden conducir a violaciones de datos, interrupciones del sistema y prdidas financieras. Por lo tanto, la implementacin de monitoreo en tiempo real con sistemas de prevencin de intrusiones (IPS) se ha convertido en un enfoque proactivo para evitar que ocurran tales amenazas y ataques.IPS es una tecnologa de seguridad de red que examina los flujos de trfico de red para detectar y prevenir las exploits de vulnerabilidad. Combina la deteccin basada en la firma, la deteccin basada en anomalas y el anlisis de protocolos para monitorear y prevenir actividades maliciosas en tiempo real.
El monitoreo en tiempo real con IPS proporciona varios beneficios desde diferentes perspectivas. Por ejemplo, desde una perspectiva de seguridad, IPS ayuda a detectar y prevenir amenazas de seguridad en tiempo real, incluidos ataques de da cero, trfico malicioso e intentos de acceso no autorizados. Desde una perspectiva operativa, las IP pueden ayudar a reducir el tiempo de inactividad de la red y mejorar el rendimiento de la red identificando y mitigando las anomalas de la red, como picos de ancho de banda y congestin de la red. Desde una perspectiva de cumplimiento, las IP pueden ayudar a las organizaciones a cumplir con los requisitos reglamentarios proporcionando monitoreo y alertas continuas.
Aqu hay algunas ideas en profundidad sobre la implementacin de monitoreo en tiempo real con IPS:
Implementacin de IPS: IPS se puede implementar de diferentes maneras, incluidos el modo en lnea, pasivo o hbrido.IPS en lnea es el modo de implementacin ms comn, donde el IPS se coloca en lnea con el flujo de trfico de red, y todo el trfico lo pasa a travs de l. El IP pasivo se usa solo para fines de monitoreo, donde el IPS no est en lnea con el flujo de trfico, pero recibe una copia del trfico para el anlisis.Hybrid IPS combina modos en lnea y pasivos, donde los IP pueden cambiar entre los dos modos dependiendo del flujo de trfico de red.
Deteccin basada en la firma: IPS utiliza la deteccin basada en la firma, donde compara el trfico de red con una base de datos de firmas de ataque conocidas. Cuando se encuentra una coincidencia, el IPS toma medidas, como dejar caer el paquete o bloquear la direccin IP.
Deteccin basada en anomalas: IPS tambin utiliza la deteccin basada en anomalas, donde crea una lnea de base del comportamiento normal de la red y compara el trfico de red con esa lnea de base. Cuando hay una desviacin de la lnea de base, el IPS toma medidas, como generar una alerta o bloquear el trfico.
Anlisis de protocolo: IPS tambin utiliza anlisis de protocolo, donde examina el trfico de red en la capa de aplicacin para detectar y evitar ataques especficos de la aplicacin, como la inyeccin SQL y las secuencias de comandos entre sitios (XSS).
Ajuste de IPS: la sintonizacin IPS es un paso esencial para implementar el monitoreo en tiempo real con IPS.Implica configurar las polticas, reglas y umbrales de IPS para garantizar que el IPS no genere falsos positivos o falsos negativos. Un falso positivo es cuando el IPS bloquea el trfico legtimo, mientras que un falso negativo es cuando el IPS no puede detectar y evitar un ataque.
Implementar el monitoreo en tiempo real con IPS es un enfoque proactivo para prevenir amenazas de seguridad y ataques cibernticos.IPS combina la deteccin basada en la firma, la deteccin basada en anomalas y el anlisis de protocolos para monitorear y prevenir actividades maliciosas en tiempo real. l despliegue de IPS, la deteccin basada en la firma, la deteccin basada en anomalas, el anlisis de protocolos y el ajuste de IPS son factores crticos a considerar al implementar el monitoreo en tiempo real con IP.
Figura 1: monitoreo en tiempo real con IPS.Fuente: (Berger, 2021).
Desafos y soluciones en la implementacin del monitoreo en tiempo real
El monitoreo en tiempo real juega un papel crucial para garantizar el buen funcionamiento de los sistemas de ejecucin automtica. Sin embargo, la implementacin de esta capacidad de monitoreo conlleva una buena cantidad de desafos. En esta seccin, profundizaremos en los obstculos enfrentados durante el proceso de implementacin y exploraremos posibles soluciones para superarlos.
Sobrecarga de datos: uno de los principales desafos del monitoreo en tiempo real es lidiar con la abrumadora cantidad de datos generados por varios sensores y dispositivos. A medida que aumenta el volumen de datos, resulta cada vez ms difcil procesarlos, analizarlos y extraer informacin significativa de ellos en tiempo real. Para abordar este desafo, las organizaciones pueden considerar implementar tcnicas avanzadas de anlisis de datos, como algoritmos de aprendizaje automtico, que puedan filtrar y priorizar los puntos de datos ms crticos. Al hacerlo, pueden reducir la sobrecarga de datos y centrarse en monitorear la informacin ms relevante.
Escalabilidad: los sistemas de monitoreo en tiempo real deben ser escalables para adaptarse al creciente nmero de dispositivos y sensores que deben monitorearse. A medida que las organizaciones amplan sus operaciones o introducen nuevos productos, la infraestructura de monitoreo debe ser capaz de manejar el aumento de carga sin comprometer el rendimiento. Las soluciones basadas en la nube, con su capacidad de escalar recursos dinmicamente, pueden ser una opcin ideal para abordar los desafos de escalabilidad. Al aprovechar la nube, las organizaciones pueden agregar o eliminar fcilmente nodos de monitoreo segn sea necesario, lo que garantiza una experiencia de monitoreo perfecta.
Latencia de la red: en el monitoreo en tiempo real, los retrasos en la transmisin de datos pueden afectar significativamente la efectividad del sistema. La latencia de la red puede ocurrir debido a varios factores, incluida la congestin de la red o limitaciones en la infraestructura de comunicacin. Para mitigar los problemas de latencia de la red, las organizaciones pueden explorar opciones como la informtica de punta. La computacin perimetral implica procesar y analizar datos ms cerca de la fuente, lo que reduce la dependencia de la conectividad de la red. Al implementar dispositivos informticos de vanguardia cerca de puntos de monitoreo crticos, las organizaciones pueden minimizar el impacto de la latencia de la red y garantizar capacidades de monitoreo en tiempo real.
Seguridad y privacidad: el monitoreo en tiempo real implica la recopilacin y el anlisis de datos confidenciales, lo que hace que la seguridad y la privacidad sean una de las principales preocupaciones. El acceso no autorizado a sistemas de monitoreo o violaciones de datos puede tener consecuencias graves, incluidas prdidas financieras o daos a la reputacin. implementar medidas de seguridad slidas, como protocolos de cifrado y autenticacin, es crucial para salvaguardar la informacin confidencial. Adems, las organizaciones deben cumplir con las normas de privacidad y obtener el consentimiento necesario al recopilar y almacenar datos personales. Al priorizar la seguridad y la privacidad, las organizaciones pueden generar confianza con sus partes interesadas y garantizar la integridad de sus sistemas de monitoreo.
Integracin con sistemas existentes: muchas organizaciones ya cuentan con sistemas y procesos establecidos que deben integrarse con capacidades de monitoreo en tiempo real. Esta integracin puede ser una tarea compleja que requiere una planificacin y coordinacin cuidadosas. Es esencial evaluar la compatibilidad de los sistemas existentes con la solucin de monitoreo e identificar cualquier brecha que deba abordarse. En algunos casos, es posible que las organizaciones necesiten invertir en middleware o herramientas de integracin API para facilitar una comunicacin fluida entre diferentes sistemas. Al garantizar una integracin fluida, las organizaciones pueden aprovechar los beneficios del monitoreo en tiempo real sin interrumpir sus operaciones existentes.
La implementacin de sistemas de monitoreo en tiempo real puede plantear varios desafos, pero con las estrategias y soluciones adecuadas, estos obstculos se pueden superar. Al abordar la sobrecarga de datos, la escalabilidad, la latencia de la red, la seguridad y privacidad y los problemas de integracin, las organizaciones pueden establecer una infraestructura de monitoreo slida. Adems, al elegir las mejores opciones, como tcnicas de anlisis avanzadas, escalabilidad basada en la nube, informtica de punta y slidas medidas de seguridad, las organizaciones pueden garantizar un monitoreo efectivo en tiempo real que constituye la columna vertebral de los sistemas de ejecucin automtica.
Figura 2: Desafos y soluciones del monitoreo en tiempo real. Fuente: (Ahmed, 2021).
Raspberry Pi
Es un ordenador de placa reducida o placa nica de bajo coste, desarrollado en Reino Unido por la Fundacin Raspberry Pi, con el objetivo de estimular la enseanza de ciencias de la computacin en las escuelas. El diseo incluye un Raspberry Pi 4 Model B, que contiene un procesador central (CPU) ARM Cortex-A71 1.5Ghz, un procesador grfico (GPU) Video Core IV@500Mhz, y 4GB de memoria RAM. El diseo no incluye un disco duro ni unidad de estado slido, ya que usa una tarjeta SD para el almacenamiento permanente; tampoco incluye fuente de alimentacin ni carcasa.
En cuanto al SO El Raspberry Pi usa mayoritariamente sistemas operativos basados en el ncleo Linux. Raspbian, una distribucin derivada de Deban que est optimizada para el hardware de Raspberry Pi, se lanz durante julio de 2012 y es la distribucin recomendada por la fundacin para iniciarse. La SBC de la Raspberry Pi Foundation es la autntica y oficial, aunque hayan salido competidores. Esta placa surgi como estmulo para las escuelas y el acercamiento de las ciencias de la computacin a ms personas. El primer germen apareci en 2006, aunque era una placa basada en microcontrolador Atmel ATmega644 similar a los de Arduino. Al ser abierta, tanto sus esquemas y los datos de diseo estn disponibles para su descarga, y es aqu donde radica su mayor xito, junto con su precio asequible Pero no sera hasta 2009 cuando se cre la Fundacin Raspberry Pi en Caldecote, South Cambridgeshire (Reino Unido) y sus fundadores son: Eben Upton, David Braden, Jack Lang, Pete Lomas, Alan Mycroft y Robert Mullins.
Figura 3: Raspberry Pi. Fuente: Fundacin Raspberry Pi (2012)
Metodologa
En este tipo de estudio se emplearon mtodos descriptivos y de investigacin de campo, ya que, la experiencia se llev a cabo entre usuarios de este tipo de enfoque virtual. La observacin directa, las entrevistas y los cuestionarios se utilizarn en esta prctica para la recopilacin de la informacin detallada sobre las dificultades y los problemas asociados a este enfoque de realidad virtual. (Arias 2018) afirma que, para elegir la estrategia de investigacin ms eficaz para resolver el problema de estudio, hay que conocer los procedimientos de investigacin y comprender en qu consiste cada uno de ellos. "El tipo de investigacin que pretende describir algunas caractersticas fundamentales de conjuntos homogneos de fenmenos, utiliza criterios sistemticos que permiten establecer la estructura o comportamiento de los fenmenos objeto de estudio, proporcionando informacin sistemtica y comparable con la de otras fuentes" es como Martnez (2019) define la investigacin descriptiva, que es el nivel en el que se realizar.
El objetivo principal de este proyecto es desarrollar y poner en prctica una tcnica de registro y visualizacin de parmetros en lnea de bajo coste. Esta tecnologa estar fcilmente disponible y ayudar a las pequeas y medianas empresas en su transicin digital, al tiempo que contribuir al medio ambiente. Con la ayuda de este sistema, se podrn supervisar y controlar en tiempo real variables de diversos mbitos de las ciencias de la tierra, lo que mejorar la recopilacin de datos, aumentar la eficiencia de los recursos y proporcionar informacin precisa para la toma de decisiones en los campos de investigacin pertinentes. Puede utilizarse, por ejemplo, para hacer un seguimiento de la calidad de los factores medioambientales a lo largo del ciclo de vida de un proyecto minero de pequea o mediana envergadura.
Materiales y mtodos
El enfoque utilizado en este estudio se concentr en implementar el procesamiento en tiempo real utilizando Raspberry Pi, IoT y computacin en la nube. Este enfoque es til para la supervisin y el control en diversos contextos de las ciencias de la tierra, como la minera, el agua y nuestros hogares, donde mejoran nuestra calidad de vida. La principal aportacin se encuentra en la optimizacin de recursos, la identificacin temprana de problemas y la toma de decisiones bien informadas.
Para identificar las caractersticas y variables precisas que deban vigilarse, en esta fase se llev a cabo un anlisis. Durante este procedimiento se evaluaron una serie de criterios, entre ellos la controlabilidad, la pertinencia y el efecto en el contexto de la vigilancia. Una amplia investigacin bibliogrfica y una evaluacin de las necesidades concretas del entorno sirvieron de base para la determinacin exacta de estas caractersticas.
Poblacin en estudio
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Poblacin |
Nmero |
Porcentaje |
|
PERSONAS EN ESTUDIO |
50 |
100% |
|
total |
50 |
100% |
Fuente: Elaboracin Propia.
El estudio se calcular en una pequea porcin de la poblacin no mayor a cien personas. Por consiguiente, no ser necesario efectuar un muestreo de la poblacin.
Recoleccin de informacin
Se ha manejado la herramienta Formularios para el despliegue del instrumento de recoleccin tipo "Cuestionario" ya que facilita el planteamiento, alcance y manejo de los datos. En palabras de Tamayo y Tamayo (2018), "el cuestionario abarca los aspectos del fenmeno que se piensan esenciales; tambin accede aislar ciertos problemas que nos afectan principalmente; reduce la realidad a un cierto nmero de datos esenciales y precisa el objeto de estudio.
Resultados de la encuesta
Pregunta 1.- Cules de las tecnologias inalmbricas provee ms conectividad mediante Raspberry Pi, IoT y Cloud Computing en tiempo real?
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Tecnologa |
Encuestados |
Porcentaje |
|
Wi-fi |
50 |
100% |
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bluetooth |
0 |
0 |
|
zigbee |
0 |
0 |
|
Total |
50 |
100% |
Figura 4. Tecnologa inalmbrica que proveen conectividad. Fuente: Elaboracin propia
Segn la Figura 4, que muestra los patrones de los datos de respuesta, casi el 100% de los encuestados cree que Wi-Fi es la tecnologa principal que ofrece ms conectividad y fiabilidad para procesar diferentes mtodos tecnolgicos en tiempo real.
Pregunta 2.- En qu rea o servicio se aplica el procesamiento en tiempo real mediante Raspberry Pi, IoT y Cloud Computing?
Figura 5. reas o Servicio donde es aplicado el procesamiento en tiempo real. Fuente: Elaboracin propia
Anlisis e interpretacin de resultados
El nivel residencial es donde ms claramente se utiliza el procesamiento en tiempo real como servicio, como muestra el grfico circular de la Figura 5. En l se observa que el 20% de los encuestados afirma que se utiliza en la minera y la agricultura en general, mientras que el 50% de los encuestados afirma que se utiliza a nivel residencial o domstico. Dicho de otro modo, la mayora pretende conseguir una calidad de vida ms consistente y manejable.
Pregunta 3.- Ha tenido algn reto a la hora de implantar el Sistema Integral para la vigilancia en tiempo real?
Figura 6. Ha tenido algn reto a la hora de implantar el Sistema Integral para la vigilancia en tiempo real? Fuente: Elaboracin propia
Anlisis e interpretacin de resultados
El 20% de los encuestados indicaron que no tenan problemas ni conflictos a la hora de disear el sistema integrado, segn el anlisis de los resultados que se muestra en la Figura 6. Es evidente que la mayora de las personas tienen conflictos, lo cual es preocupante ya que, para crear un plan o un vnculo con el sistema de vigilancia que tenga como objetivo mejorar el bienestar humano, primero debe establecerse una concordancia con el sistema de vigilancia.
Pregunta 4.- Qu expectativa tiene en la ejecucin de la computacin en nube, IoT con el procesamiento en tiempo real de Raspberry Pi?
Figura 7. Qu expectativa tiene en la ejecucin de la computacin en nube, IoT con el procesamiento en tiempo real de Raspberry Pi? Fuente: Elaboracin propia
Anlisis e interpretacin de resultados
Segn los resultados del grado de expectacin que se muestran en la Figura 7, el 54% de los encuestados estn satisfechos, mientras que el 24% no estn muy satisfechos. Slo el 18% de los encuestados afirma que el procedimiento cumpli plenamente sus expectativas, y el 4% se declara completamente insatisfecho con la forma en que se gestionaron las cosas. Esto demuestra que, para complacer a la mayora de las personas y cumplir las expectativas, se requiere una ejecucin ms minuciosa.
Pregunta 10.- Le gustara utilizar el sistema integrado de vigilancia medioambiental y procesamiento en tiempo real para otras aplicaciones, como la agricultura, minera y agua?
Figura 8. Le gustara utilizar el sistema integrado de vigilancia medioambiental y procesamiento en tiempo real para otras aplicaciones, como la agricultura, minera y agua? Fuente: Elaboracin propia
Anlisis e interpretacin de resultados
El 92% de los encuestados estara interesado en emplear el procesamiento en tiempo real, que ofrece la asistencia de Tecnologas y Desarrollo Web en otras reas o servicios, segn los datos que muestra la Figura 8; el 8% de los encuestados no expresa ningn inters. Se trata de un resultado realmente alentador, ya que demuestra que existe un alto nivel de inters y demanda de este tipo de plataformas.
Resultados y discusin
Con el fin de proporcionar una supervisin ms exhaustiva en diversas industrias o servicios, como la minera, el procesamiento en tiempo real mediante Raspberry Pi, IoT y la computacin en la nube tiene como objetivo identificar los diversos aspectos que deben supervisarse. Por ejemplo, en la agricultura, se buscan datos sobre la temperatura y la humedad en funcin de la importancia de estas variables en contextos particulares, como la agricultura de precisin, la calidad del aire y del agua, y la supervisin estructural como factor de seguridad. Adems, la vigilancia de la calidad del aire y el agua es esencial para evaluar la contaminacin y la salud pblica como parte de las buenas prcticas hacia una produccin sostenible en industrias como la minera y la energa.
Los sensores, interfaces y programas de software que permiten las conexiones y el intercambio de datos a travs de Internet entre mquinas, electrodomsticos, coches y muchos otros dispositivos producen volmenes masivos de datos. Los requisitos de ancho de banda de red estn limitados por el desarrollo de dispositivos IoT, que generan volmenes masivos de datos que deben gestionarse en centros de datos. Los dispositivos IoT hacen uso de la potencia de procesamiento que se encuentra cerca de un dispositivo fsico o de una fuente de datos. En lugar de ser transportados a un lugar central para su consulta, los datos generados por los dispositivos y sensores IoT tienen que ser examinados en el borde de la red con el fin de ser utilizados para una accin rpida o la solucin de problemas.
Conclusiones
Sin que lo sepamos, la Internet de los objetos (IoT) est impregnando todos los aspectos de nuestro entorno. Cada vez vemos ms objetos y sensores conectados en red, que nos proporcionan informacin puramente informativa como es la temperatura, humedad o, por el contrario, informacin crucial como una alerta de intrusin que nos avisa de niveles bajos de azcar en sangre. Este proyecto no slo nos ha presentado el concepto de IoT, sino que hemos podido analizar plataformas web donde subir esos datos recogidos por los sensores, poder analizarlos para realizar estadsticas, incluso interactuar con esos datos en otros sistemas externos.
El uso de plataformas IoT ha facilitado la recopilacin, el procesamiento y la supervisin de datos de temperatura y humedad. Estas tecnologas han hecho posible la conexin de dispositivos a larga distancia, permitiendo la visualizacin y el anlisis de datos en tiempo real. Adems, la ejecucin de algoritmos modulares y protocolos de autenticacin ha mejorado la escalabilidad y la seguridad del sistema. En lugares remotos con recursos limitados, esta arquitectura ofrece un marco fiable para recopilar y evaluar parmetros medioambientales.
Por este motivo, fue necesario implementar una tecnologa que busca realizar una accin slo cuando el valor de entrada fuera diferente del valor anterior. Si los retardos se tratan en el cdigo de programacin, las tarjetas tardan un tiempo extra en realizar una accin, lo que hace que la comunicacin entre dispositivos no sea ptima ya que no se estara realizando un intercambio de datos en tiempo real. Cuando se trata de enviar datos en tiempo real, es fundamental verificar que los datos enviados entre dispositivos se reflejen en un periodo de tiempo muy corto. La falta de programacin puede provocar conflictos en este mbito.
La capacidad de la Raspberry Pi para ejecutar un sistema operativo como Linux e interactuar con un sinfn de aplicaciones externas es su mayor ganancia. Dado que la Raspberry Pi es un miniordenador con capacidad para instalar un sistema operativo, se pueden ejecutar diversas aplicaciones para medir el rendimiento y la velocidad de los datos generados en la red, lo que la convierte en la arquitectura ms adecuada. Como resultado, es posible monitorizar tanto la funcionalidad de la arquitectura como los dispositivos IoT que estn vinculados a ella.
Referencias
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