(internet of things for smart cities)
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trata de la ciudades inteligentes como la tecnología va avanzando en el mundoTRANSCRIPT
22 IEEE INTERNET OF THINGS JOURNAL, VOL. 1, NO. 1, FEBRUARY 2014
Internet of Things for Smart Cities
Andrea Zanella, Senior Member, IEEE, Nicola Bui, Angelo Castellani,
Lorenzo Vangelista, Senior Member, IEEE, and Michele Zorzi, Fellow, IEEE
Abstract—The Internet of Things (IoT) shall be able to
incorpo- rate transparently and seamlessly a large number of different and heterogeneous end systems, while providing open access to selected subsets of data for the development of a plethora of digital services. Building a general architecture for the IoT is hence a very complex task, mainly because of the extremely large variety of devices, link layer technologies, and services that may be involved in such a system. In this paper, we focus specifically to an urban IoT system that, while still being quite a broad category, are characterized by their specific application domain. Urban IoTs, in fact, are designed to support the Smart City vision, which aims at exploiting the most advanced communication technologies to support added-value services for the administration of the city and for the citizens. This paper hence provides a comprehensive survey of the enabling technologies, protocols, and architecture for an urban IoT. Fur- thermore, the paper will present and discuss the technical solutions and best-practice guidelines adopted in the Padova Smart City project, a proof-of-concept deployment of an IoT island in the city of Padova, Italy, performed in collaboration with the city municipality.
Index Terms—Constrained Application Protocol (CoAP), Efficient XML Interchange (EXI), network architecture, sensor system integration, service functions and management, Smart Cities, testbed and trials, 6lowPAN.
I. INTRODUCTION
El Internet de las Cosas (IoT) es un paradigma de la comunicación reciente que imagina un futuro cercano, en el que los objetos de la vida cotidiana estarán equipados con micro controladores, transceptores de comunicación digital, y pilas de protocolos adecuados que les haga capaces de comunicarse entre sí y con los usuarios, convirtiéndose en una parte integral de la Internet [ 1 ]. El concepto de la IoT, por lo tanto, tiene como objetivo hacer que Internet sea aún más in mensa y penetrante. Además, al permitir un fácil acceso y la interacción con una amplia variedad de dispositivos tales como, por ejemplo, electrodomésticos, cámaras de vigilancia, el seguimiento ,sensores, actuadores, displays, vehículos y así
Manuscript received November 10, 2013; revised February 06, 2014; accepted February 11, 2014. Date of publication February 14, 2014; date of current version May 05, 2014. This work has been supported in part by the European Commission through the FP7 EU project “Symbiotic Wireless Autonomous Powered system” (SWAP, Grant 251557, http://www.fp7-swap.eu/). Michele Zorzi and Lorenzo Vangelista are founding members of Patavina Technologies s.r.l., 35131 Padova, Italy.
A. Zanella, L. Vangelista, and M. Zorzi are with the Department of Information Engineering, University of Padova, 35131 Padova, Italy, and also with Consorzio Ferrara Ricerche (CFR), 44122 Ferrara, Italy (e-mail: [email protected]). A. Castellani was with Department of Information Engineering, University of Padova, Padova, Italy. He is now with TeSAN, 36100 Vicenza, Italy. N. Bui was with Patavina Technologies s.r.l., Vicenza, Italy, and with Consorzio Ferrara Ricerche, Ferrara, Italy. He is now with Institute IMDEA Networks, 28918 Madrid, Spain. Color versions of one or more of the figures in this paper are available online at http://ieeexplore.ieee.org.
la IoT fomentará el desarrollo de una serie de aplicaciones que
hacen uso de la potencialmente enorme cantidad y variedad de
datos generados por este tipo de objetos para proporcionar
nuevos servicios a los ciudadanos, empresas y administraciones
públicas. Este paradigma de hecho encuentra aplicación en
muchos campos diferentes, como la domótica, automatización
industrial, ayudas médicas, salud móvil, la asistencia de
ancianos, la gestión inteligente de la energía y las redes
inteligentes, la automoción, la gestión del tráfico, y muchos
otros [ 2 ].Sin embargo, un campo tan heterogénea de
aplicación hace que la identificación de soluciones capaces de
satisfacer las necesidades de todos los posibles escenarios de
aplicación un reto formidable. Esta dificultad ha llevado a la
proliferación de diferentes y, a veces, propuestas incompatibles
para la realización práctica de sistemas de IO. Por lo tanto,
desde una perspectiva de sistema, la realización de una red de la
IO, junto con los servicios de red de backend necesarios y
dispositivos, todavía carece de una mejor práctica establecida
por su novedad y complejidad. Además de las dificultades
técnicas, la adopción del paradigma de la IO también se ve
obstaculizada por la falta de un modelo de negocio claro y
ampliamente aceptado que puede atraer inversiones para
promover el despliegue de estas tecnologías [ 3 ].de las zonas
comunes, la preservación del patrimonio cultural, la recolección
de basura, la salubridad de los hospitales, y escuela.1 Por otra
parte, la disponibilidad de diferentes tipos de datos, recopilados
por un omnipresente IoT urbano, también puede ser explotado
para En realizando así el llamado Smart City concepto
[ 4 ]. Aunque todavía no existe una definición formal y
ampliamente aceptada de "Smart City", el objetivo final es
hacer un mejor uso de los recursos públicos, el aumento de la
calidad de los servicios ofrecidos a los ciudadanos, al tiempo
que reduce los costes operativos de la opinión pública
administraciones. Este objetivo puede ser perseguido por el
despliegue de una IoT urbano, es posibles sinergias y aumentar
la transparencia decir, una infraestructura de comunicación que
proporciona acceso unificado, simple y económica para una
gran cantidad de servicios públicos, desatando de este modo
para los ciudadanos. Un IoT urbano, de hecho, puede traer una
serie de beneficios en la gestión y optimización de los servicios
públicos tradicionales, como el transporte y estacionamiento,
iluminación, vigilancia y mantenimiento aumentar la
transparencia y promover las acciones del gobierno local hacia
los ciudadanos, aumentar la conciencia de la gente sobre el
estado de su ciudad, estimular la participación activa de los
ciudadanos en la gestión de la administración pública, así como
estimular la creación de nuevos servicios sobre los que
proporciona el IoT [ 5 ].
Digital Object Identifier 10.1109/JIOT.2014.2306328 SmartSantander [Online]. Available: http://www.smartsantander.eu/.
ZANELLA et al.: INTERNET OF THINGS FOR SMART CITIES 23
TABLE I SERVICES SPECIFICATION FOR THE PADOVA
SMART CITY PROJECT
Por lo tanto, este complejo escenario, la aplicación del
paradigma de la IO a un contexto urbano es de particular
interés, ya que responde a la fuerte presión de muchos
gobiernos nacionales a adoptar soluciones TIC en la gestión de
los asuntos públicos, la aplicación del paradigma de la IO a la
ciudad inteligente es particularmente atractivo para las
administraciones locales y regionales, que pueden llegar a ser
los primeros en adoptar estas tecnologías, actuando como
catalizadores para la adopción del paradigma de la IO en una
escala más amplia. El objetivo de este trabajo es discutir un
marco de referencia general para el diseño de un IoT urbano. Se
describen las características específicas de un IoT urbana y los
servicios que pueden conducir a la adopción de la IO urbana
por los gobiernos locales.A continuación, visión general del
enfoque basado en la web para el diseño de los servicios de la
IO, y los protocolos y tecnologías relacionadas, discutiendo su
adecuación al entorno Smart City. Finalmente, fundamentar la
discusión al informar nuestra experiencia en el proyecto
"Padova Smart City", que es un despliegue de una isla IoT en la
ciudad de Padova (Italia) la prueba de concepto e
interconectados con la red de datos de la municipalidad de la
ciudad . En este sentido, se describen las soluciones técnicas
medidas que han sido recogidos por el sistema en sus primeros
días de funcionamiento. Resto del trabajo se organiza como
sigue. Sección II repasa los servicios que se asocian
comúnmente a la visión Smart City y que puede ser activado
por el despliegue de una IoT urbano. Sección III proporciona
una visión general de la arquitectura del sistema para un urbano
IO. Más en detalle, esta sección describe el enfoque de servicio
web para la realización de los servicios de la IO, con los
formatos correspondientes de datos y protocolos de
comunicación y las tecnologías de la capa de enlace. Por
último, la presenta el proyecto "Padova Smart City", que es un
ejemplo de una posible aplicación de un IoT urbana y ofrece
ejemplos del tipo de datos que se pueden recoger con una
estructura de este tipo.
II. SMART CITY CONCEPT AND SERVICES
Según Pike Investigación sobre Ciudades Inteligentes, el
mercado Smart City se estima en cientos de miles de millones
de dólares en 2020, con un gasto anual llegando a casi 16 mil
millones. Este resortes de mercado de la interconexión
sinérgica de los sectores clave de la industria y de servicios,
tales como la gobernanza inteligente, inteligente Movilidad,
inteligentes Utilidades, Edificios Inteligentes, y Smart Medio
Ambiente. Estos sectores también han sido considerados en el
proyecto Smart Cities Europea (http://www.smart-cities.eu )
para definir un criterio de clasificación que se puede utilizar
para evaluar el nivel de la "astucia" de las ciudades
europeas. Sin embargo, el mercado de Smart City no ha tenido
tanto éxito, sin embargo, por una serie de barreras políticas,
técnicas y financieras [ 6 ].
En la dimensión política, el principal obstáculo es la atribución
de poder de decisión a los diferentes grupos de interés. Una
forma posible de eliminar este obstáculo es institucionalizar el
proceso de decisión y ejecución, concentrándose la
planificación y gestión de los aspectos inteligentes ciudad
estratégica en un único departamento dedicado en la ciudad
[ 7 ].
En el aspecto técnico, el tema más relevante consiste en la
noninteroperability de las tecnologías heterogéneas que se
utilizan actualmente en la ciudad y los desarrollos urbanos. En
este sentido, la visión de la IoT puede convertirse en la piedra
angular para darse cuenta de plataforma TIC a escala urbana
unificado, desatando así el potencial de la visión Smart
City [ 8 ], [ 9 ].
Por último, en relación con la dimensión financiera, un modelo de negocio claro todavía falta, aunque alguna iniciativa para llenar este vacío ha sido recientemente llevado a cabo [ 10 ].
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La situación se ve agravada por la situación económica
mundial adversa, lo que ha determinado una reducción general
de las inversiones en los servicios públicos. Esta situación
impide que el mercado potencialmente enorme Smart City se
convierta en realidad. Una posible salida de este callejón sin
salida es desarrollar primero los servicios que conjugan utilidad
social con el retorno de la inversión muy claro, como
estacionamientos inteligentes y edificios inteligentes, y por lo
tanto, actuar como catalizadores para los otros servicios de
valor añadido [ 10 ].
En el resto de esta sección, repasamos algunos de los servicios
que podrían ser activadas por un paradigma de la IO urbana y
que son de interés potencial en el contexto de Smart City, ya
que pueden darse cuenta de la situación de ganar-ganar de
aumentar la calidad y la mejora de los servicios ofrecido a los
ciudadanos mientras que traer una ventaja económica para la
administración de la ciudad en términos de reducción de los
costes operativos [ 6 ]. Para apreciar mejor el nivel de madurez
de las tecnologías de apoyo para estos servicios, se presenta
en la Tabla I una visión sinóptica de los servicios en términos
de tipo sugerido (s) de la red para ser desplegado, el tráfico
esperado generado por el servicio, demora máxima tolerable ,
alimentación del dispositivo, y una estimación de la viabilidad
de cada servicio con las tecnologías disponibles en la
actualidad. De la tabla se desprende claramente que, en general,
la realización práctica de la mayoría de estos servicios no se ve
obstaculizada por problemas técnicos sino más bien por la falta
de una comunicación ampliamente aceptado y arquitectura de
servicio que puede abstraer de las características específicas del
único tecnologías y proporcionan acceso armonizado a los
servicio.
Salud estructural de edificios: El mantenimiento adecuado de
los edificios históricos de la ciudad requiere la supervisión
continua de las condiciones reales de cada edificio y la
identificación de las áreas que son más sujetas al impacto de
agentes externos. La IoT urbana puede proporcionar una base
de datos distribuida de la construcción de las mediciones de
integridad estructural, recogidos por los sensores adecuados
situados en los edificios, tales como sensores de vibración y
deformación para controlar la tensión edificio, sensores de
agentes atmosféricos en las zonas de los alrededores para
monitorear los niveles de contaminación, y la temperatura y
sensores de humedad tienen a una caracterización completa de
las condiciones ambientales [ 11 ]. Esta base de datos debería
reducir la necesidad de costosas pruebas estructurales periódica
por los operadores humanos y permitirá que las acciones de
mantenimiento y restauración específica y proactivas. Por
último, será posible combinar lecturas de vibración y sísmicos
con el fin de estudiar mejor y comprender el impacto de los
terremotos de luz en edificios de la ciudad. Esta base de datos
se puede hacer accesible al público a fin de que los ciudadanos
conscientes del cuidado en la conservación del patrimonio
histórico de la ciudad.
La realización práctica de ese servicio, sin embargo, requiere la
instalación de sensores en los edificios y las zonas circundantes
y su interconexión a un sistema de control, que puede requerir
una inversión inicial con el fin de crear la infraestructura
necesaria.
Gestión de residuos: La gestión de residuos es un tema
principal en muchas ciudades modernas, debido tanto al coste
del servicio y el problema del almacenamiento de la basura en
los vertederos. Una penetración más profunda de soluciones
TIC en este ámbito, sin embargo, puede resultar en ahorros
significativos y ventajas económicas y ecológicas. Por ejemplo,
el uso de contenedores de residuos inteligentes, que detectan el
nivel de carga y permiten una optimización de la ruta camiones
de colector, puede reducir el coste de la recogida de residuos y
mejorar la calidad de reciclaje [ 12 ]. 3 Para realizar una Smart
tales servicios de gestión de residuos, la IoT deberá conectar los
dispositivos finales, es decir, contenedores de residuos
inteligentes, a un centro de control donde un software de
optimización procesa los datos y determina el tratamiento
óptimo de la flota de camiones colector.
Calidad del aire: La Unión Europea adoptó oficialmente una
Directiva de Energías Renovables 20-20-20 establecimientos de
objetivos de reducción del cambio climático para la próxima
década. 4 Los objetivos exigen una reducción del 20% en las
emisiones de gases de efecto invernadero para 2020 en
comparación con los niveles de 1990, un 20% reducir el
consumo de energía mediante la mejora de la eficiencia
energética para el año 2020, y un aumento del 20% en el uso de
energías renovables para el año 2020.Hasta tal punto, un IoT
urbana puede proporcionar medios para monitorear la calidad
del aire en zonas concurridas, parques o senderos
[ 13 ]. Además, las instalaciones de comunicación se pueden
proporcionar para que las aplicaciones de salud que se ejecutan
en dispositivos corredores 'estar conectados a la infraestructura.
De tal manera, la gente siempre se puede encontrar el camino
más saludable para actividades al aire libre y pueden ser
conectados continuamente a su aplicación de entrenamiento
personal preferido. La realización de un servicio de este tipo
requiere que los sensores de calidad del aire y la contaminación
se desplegarán en toda la ciudad y que los datos del sensor a
disposición del público a los ciudadanos.
FP7-ENVIRONMENT Program, EcoWeb a dynamic e-dissemination
platformfor EU eco-innovation research results [Online]. Available: http://ecoweb-project.info/.
Decision No. 406/2009/Ec of the European Parliament and of the Council of
23 April 2009 on the effort of Member States to reduce their greenhouse gasemissions to meet the Community’s greenhouse gas emission reduction
commitments up to 2020 [Online]. Available:
http://ec.europa.eu/clima/policies/package/
documentation_en.htm.
ZANELLA et al.: INTERNET OF THINGS FOR SMART CITIES 25
Monitoreo de Ruido: El ruido puede ser visto como una forma
de contaminación acústica tanto como óxido de carbono (CO)
es para el aire. En ese sentido, las autoridades de la ciudad ya
han emitido leyes específicas para reducir la cantidad de ruido
en el centro de la ciudad en horas específicas. Un IoT urbana
puede ofrecer un servicio de monitoreo de ruido para medir la
cantidad de ruido producido en cualquier hora dada en los
lugares que adoptan el servicio [ 14 ]. Además de la
construcción de un mapa del espacio-tiempo de la
contaminación acústica en la zona, este servicio también puede
utilizarse para reforzar la seguridad pública, por medio de
algoritmos de detección de sonido que pueden reconocer, por
ejemplo, el ruido de los accidentes de vidrio o peleas. Este
servicio, por tanto, puede mejorar tanto la tranquilidad de las
noches en la ciudad y la confianza de los propietarios de
establecimientos públicos, a pesar de la instalación de
detectores de sonido o micrófonos ambientales es bastante
controversial, debido a las preocupaciones sobre la privacidad
obvias para este tipo de monitoreo.
La congestión de tráfico: En la misma línea de la calidad del
aire y monitoreo de ruido, un posible servicio de Smart City
que se pueden activar por IoT urbana consiste en el seguimiento
de la congestión del tráfico en la ciudad. A pesar de que los
sistemas de monitoreo de tráfico basados en cámaras ya están
disponibles y desplegado en muchas ciudades, de baja potencia
la comunicación generalizada puede proporcionar una fuente
más densa de la información. Monitoreo de tráfico se puede
realizar mediante el uso de las capacidades de detección y GPS
instalados en los vehículos modernos [ 15 ], y también la
adopción de una combinación de la calidad del aire y sensores
acústicos por un camino determinado. Esta información es de
gran importancia para las autoridades de la ciudad y los
ciudadanos: para el primero a la disciplina del tráfico y para
enviar los oficiales cuando sea necesario y para este último para
planificar con antelación la ruta para llegar a la oficina o para
programar mejor un viaje de compras al centro de la ciudad.
Ciudad de la Energía Consumo: Junto con el servicio de
monitoreo de calidad del aire, la IoT urbana puede proporcionar
un servicio para monitorear el consumo de energía de toda la
ciudad, lo que permite que las autoridades y los ciudadanos a
obtener una visión clara y detallada de la cantidad de energía
requerida por los diferentes servicios (alumbrado público,
transporte, semáforos, cámaras de control, calefacción /
refrigeración de edificios públicos, etc.). A su vez, esto hará
que sea posible identificar las principales fuentes de consumo
de energía y establecer prioridades con el fin de optimizar su
comportamiento. Esto va en la dirección indicada por la
directiva europea para la mejora de la eficiencia energética en
los próximos años. Con el fin de obtener un servicio de este
tipo, dispositivos de monitoreo consumo de energía deben
integrarse con la red eléctrica en la ciudad. Además, también
será posible mejorar estos servicios con todas las funciones
activas para el control de las estructuras de producción de
energía locales (por ejemplo, los paneles fotovoltaicos).
Inteligente Aparcamiento: El servicio de estacionamiento
inteligente se basa en sensores de carretera y pantallas
inteligentes que los automovilistas directos a lo largo el mejor
camino para el estacionamiento en la ciudad [ 16 ]. Los
beneficios que se derivan de este servicio son múltiples: el
tiempo más rápido para localizar una plaza de aparcamiento
significa menos emisiones de CO desde el coche, la congestión
del tráfico menor, y los ciudadanos más felices. El servicio de
estacionamiento inteligente se puede integrar directamente en la
infraestructura de la IO urbano, debido a que muchas empresas
de Europa están proporcionando productos de mercado para
esta aplicación. Además, mediante el uso de tecnologías de
comunicación de corto alcance, como identificadores de
radiofrecuencia (RFID) o Near Field Communication (NFC), es
posible realizar un sistema de verificación electrónica de
permisos de estacionamiento en las ranuras reservadas para los
residentes o personas con discapacidad, lo que ofrece una mejor
servicio a los ciudadanos que legítimamente pueden utilizar
esas máquinas tragamonedas y una herramienta eficaz para
detectar rápidamente violaciónes.
Iluminación inteligente: Con el fin de apoyar la directiva 20-20-
20, la optimización de la eficiencia del alumbrado público es
una característica importante. En particular, este servicio puede
optimizar la intensidad de la lámpara de la calle de acuerdo con
la hora del día, las condiciones climáticas, y la presencia de
personas. Para funcionar correctamente, este servicio tiene que
incluir las luces de la calle en la infraestructura de Smart
City. También es posible explotar el aumento del número de
puntos conectados para proporcionar una conexión WiFi a los
ciudadanos. Además, un sistema de detección de fallo se realiza
fácilmente en la parte superior de los controladores de luz de la
calle.
Automatización y Salubridad de Edificios Públicos: Otra
aplicación importante de las tecnologías de la IO es el
monitoreo del consumo de energía y la salubridad del medio
ambiente en los edificios públicos (escuelas, oficinas de
administración, y los museos) por medio de diferentes tipos de
sensores y actuadores que controlan las luces , la temperatura y
la humedad. Mediante el control de estos parámetros, de hecho,
es posible mejorar el nivel de comodidad de las personas que
viven en estos ambientes, que también pueden tener una
rentabilidad positiva en términos de productividad, al tiempo
que reduce los costos de calefacción / refrigeración [ 17 ]
FP7 European project, SENSEI - Integrating the Physical with the Digital
World of the Network of the Future [Online]. Available: http://www.sensei- project.eu/. FP7 European project, Internet of Things Architecture (IoT-A) [Online].
Available: http://www.iot-a.eu/public.
26 IEEE INTERNET OF THINGS JOURNAL, VOL. 1, NO. 1, FEBRUARY 2014
III. URBAN IOT ARCHITECTURE
Del análisis de los servicios descritos en la sección II, se
desprende claramente que la mayoría de los servicios de Smart
City se basan en una arquitectura centralizada, donde un
conjunto denso y heterogéneo de dispositivos periféricos
desplegados sobre el área urbana generar diferentes tipos de
datos que luego son entregados a través de tecnologías de
comunicación adecuados a un centro de control, donde se
llevan a cabo el almacenamiento y procesamiento de datos.
Una de las principales características de una infraestructura de
la IO urbana, por lo tanto, es su capacidad de integrar diferentes
tecnologías con las infraestructuras de comunicación existentes
con el fin de apoyar una evolución progresiva de la IO, con la
interconexión de otros dispositivos y la realización de nuevas
funcionalidades y servicios. Otro aspecto fundamental es la
necesidad de hacer (parte de) los datos recogidos por el IoT
urbana de fácil acceso por las autoridades y los ciudadanos,
para aumentar la capacidad de respuesta de las autoridades a los
problemas de la ciudad, y para promover la sensibilización y la
participación de los ciudadanos en los asuntos públicos [ 9 ].
En el resto de esta sección, se describen los diferentes
componentes de un sistema IO urbano, como esbozado en la
Fig. 1 . Comenzamos describiendo el enfoque de servicio web
para el diseño de los servicios de la IO, que requiere el
despliegue de capas de protocolo adecuados en los diferentes
elementos de la red, como se muestra en las pilas de protocolos
representados en la Fig. 1 , además de los elementos clave de la
arquitectura. Luego, la vista general brevemente las tecnologías
de capa de enlace que se pueden utilizar para interconectar las
diferentes partes de la IO. Por último, se describe el conjunto
heterogéneo de dispositivos que concurren a la realización de
un IoT urbano.
Fig. 1. Representación conceptual de una red IoT urbana basada en el enfoque
de servicio web.
Representado en la Fig. 1, además de los elementos clave de la
arquitectura.
Luego, brevemente visión general y las tecnologías de la capa
de enlace que pueden ser utilizados para interconectar las
diferentes partes de la IO. Finalmente, se describir el conjunto
heterogéneo de dispositivos que concurren a la realización de
un IoT urbano. Enfoque A. Servicio Web para la IO Servicio de
Arquitectura Aunque en el dominio de la IO muchos estándares diferentes
siguen siendo luchando por ser la referencia y el más adoptado,
en este sección nos centramos específicamente en estándares
IETF porque son abierto y libre de regalías, se basan en las
mejores prácticas de Internet, y puede contar con una amplia
comunidad.
Los estándares del IETF para la IO abrazan una arquitectura de
servicios web para los servicios de la IO, que ha sido
ampliamente documentadas en el la literatura como un enfoque
flexible muy prometedor y fl. De hecho, web servicios permiten
realizar un sistema flexible e interoperable que puede ser
extendido a los nodos de la IO, a través de la adopción de la
webbased paradigma conocido como transferencia de estado
representacional (REST) [18]. Servicios IOT diseñados de
acuerdo con el resto paradigma de exposiciones muy fuerte
similitud con la web tradicional servicios, lo que facilita en gran
medida la adopción y el uso de la IO tanto por los usuarios
finales y desarrolladores de servicios, que será capaz de
fácilmente reutilizar gran parte de los conocimientos adquiridos
desde la web tradicional tecnologías en el desarrollo de
servicios para las redes que contienen objetos inteligentes.
También se promueve el enfoque de servicio web por los
organismos internacionales de normalización, tales como IETF,
ETSI y W3C, entre otros, así como los proyectos de
investigación europeos sobre la IoT-A como SENSEI, y Smart
Santander.
Fig. La figura 2 muestra una arquitectura de protocolo de
referencia para el IoT urbana sistema que implica tanto un sin
restricciones y una restringida pila de protocolos. El primero
consta de los protocolos que son Actualmente los estándares de
facto para las comunicaciones por Internet, y son comúnmente
utilizados por los ejércitos regulares de Internet, tales como
XML,
5FP7 European project, SENSEI - Integrating the Physical with the Digital
World of the Network of the Future [Online]. Available: http://www.sensei- project.eu/.
6FP7 European project, Internet of Things Architecture (IoT-A) [Online]. Available: http://www.iot-a.eu/public.
ZANELLA et al.: INTERNET OF THINGS FOR SMART CITIES 27
Fig. 2. Protocolo pilas para no restringidos (izquierda) y restringidos (derecha) nodos IoT.
HTTP, e IPv4. Estos protocolos se reflejan en el restringido pila
de protocolos por sus homólogos de baja complejidad, es decir,
la Ef fi Interchange (EXI) ciente XML, la aplicación restringida
Protocolo (COAP), y 6LoWPAN, que son adecuados incluso
para dispositivos muy limitada. Las operaciones de
transcodificación entre los protocolos en las pilas de izquierda y
derecha en la figura. 2 se puede realizar de manera estándar y
baja complejidad, garantizando así de fácil el acceso y la
interoperabilidad de la IoT nodos con Internet.
Puede valer la pena comentar que los sistemas que no adoptan
la EXI / COAP / 6LoWPAN pila de protocolos todavía puede
ser perfectamente incluido en el sistema de la IO urbano,
siempre que sean capaces de interfaz con todas las capas de la
parte izquierda de la arquitectura de protocolo en la Fig. 2.
En la arquitectura de protocolo se muestra en la Fig. 2, se
pueden distinguir tres capas funcionales distintas, a saber (i) de
datos, (ii) Aplicación / Transporte, y (iii) de red, que puede
requerir entidades dedicadas para operar la transcodificación
entre restringido y no restringido formatos y protocolos. En el
resto de esta sección, especificar con mayor detalle los
requisitos en cada uno de las tres capas funcionales con el fin
de garantizar la interoperabilidad entre los diferentes partes del
sistema.
1) Formato de datos: Como se ha mencionado, los conjuntos
de paradigmas urbanos IoT requisitos específicos en términos
de accesibilidad a los datos. En las arquitecturas basado en
servicios web, intercambio de datos es típicamente acompañada
de una descripción del contenido transferido por los medios de
idiomas representación semántica, de los cuales el extensible
Markup Language (XML) es probablemente la más común. Sin
embargo, el tamaño de los mensajes XML es a menudo
demasiado grande para la capacidad limitada de los dispositivos
típicos para la Iot. Además, la naturaleza de la representación
XML de texto hace que el análisis de los mensajes por los
dispositivos de CPU limitada más compleja en comparación
con los formatos binarios. Por estas razones, la grupo de trabajo
de la World Wide Web Consortium (W3C) tiene propuesto el
formato EXI [19], lo que hace posible incluso para dispositivos
para apoyar de forma nativa y generar muy limitado mensajes
utilizando un formato de datos abierto compatible con XML,
EXI de fine dos tipos de codificación, a saber esquema menos y
esquema informado.
Mientras que la codificación esquema inferior se genera
directamente a partir de los datos XML y puede ser
decodificado por cualquier EXI entidad sin ningún
conocimiento previo acerca de los datos, el schemainformed
codificación supone que los dos procesadores comparten una
EXI 7
World Wide Web Consortium (W3C), Efficient XML Interchange Working
Group [Online]. Available: http://www.w3.org/XML/EXI/.
Esquema XML antes de la codificación y decodificación real
puede tener lugar. Este esquema compartido hace posible
asignar los identificadores numéricos a las etiquetas XML en
el esquema y construir las gramáticas EXI sobre tal
codificación. Como se explica en [20], un procesador EXI
informado esquema de uso general se puede integrar
fácilmente incluso en dispositivos muy limitados, lo que les
permite interpretar formatos EXI y, por lo tanto, lo que hace
posible la construcción de usos múltiples nodos IO incluso
fuera de dispositivos muy limitados. Utilizando el enfoque
informado schema-, sin embargo, requiere un cuidado
adicional en el desarrollo de aplicaciones de capa superior, ya
que los desarrolladores necesitan para definir un esquema
XML para los mensajes que participan en los procesadores de
aplicaciones y el uso EXI que soportan este modo de
funcionamiento. Más detalles sobre-informado esquema EXI y
procesador cantar se pueden encontrar en [20].
La integración de múltiples fuentes de datos XML / EXI en un
IoT sistema se puede conseguir mediante el uso de las bases de
datos típicamente creados y mantenidos por las aplicaciones de
alto nivel. De hecho, las aplicaciones de la IO en general,
construir una base de datos de los nodos controlados por la
aplicación y, a menudo, de los datos generados por dichos
nodos. La base de datos hace posible la integración de los
datos recibidos por cualquier dispositivo IO para prestar el
servicio específico de la aplicación se ha creado para. Un
marco genérico para la construcción de aplicaciones web de la
IO de acuerdo con las directrices que se describen en esta
sección se ha propuesto en [21], donde los autores también
sugieren la explotación de la capacidad de los navegadores
web modernos que permiten una comunicación directa entre
asíncrono JavaScript y XML (AJAX) el navegador y el nodo
de la IO final, demostrando la interconexión completa de la
pila de protocolos y la naturaleza de datos abierta del enfoque
propuesto.
2) Aplicación y Transporte Capas: La mayor parte del
tráfico que atraviesa el Internet hoy en día se realiza en la capa
de aplicación HTTP sobre TCP. Sin embargo, el nivel de
detalle y complejidad de HTTP nativo hacen inadecuado para
un despliegue recto dispositivos IO limitados. Para un entorno
de este tipo, de hecho, el formato legible por humanos de
HTTP, que ha sido una de las razones de su éxito en las redes
tradicionales, resulta ser un factor limitante debido a la gran
cantidad de fuertemente correlacionado (y, por lo tanto, datos
redundantes). Por otra parte, HTTP normalmente se basa en el
protocolo de transporte TCP que, sin embargo, no escala bien
en dispositivos limitados, dando malos resultados para los
pequeños flujos de datos en entornos con pérdidas.
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El protocolo COAP [22] supera estas dificultades,
proponiendo un formato binario transportado a través de UDP,
manipulación solamente las retransmisiones estrictamente
necesarios para proporcionar un servicio confiable. Por otra
parte, COAP puede inter operar fácilmente con HTTP porque:
(i) sean compatibles con los métodos resto de HTTP (GET,
PUT, POST y DELETE).
(ii) hay una correspondencia uno a uno entre los códigos de
respuesta de los dos protocolos, y (iii) las opciones COAP
pueden apoyar una amplia gama de escenarios de uso de
HTTP.
A pesar de que los ejércitos regulares de Internet pueden
soportar de forma nativa COAP para hablar directamente a los
dispositivos IO, la solución más general y sencilla
interoperable requiere el despliegue de un intermediario
HTTP-COAP, también conocido como proxy de cruz que se
puede traducir rodeos peticiones / respuestas entre los dos
protocolos, lo que permite la interoperabilidad transparente
con dispositivos HTTP nativas y aplicaciones [23].
3) Network Layer: IPv4 is the leading addressing
technology supported by Internet hosts. However, IANA, the
international
Organización que asigna direcciones IP a nivel mundial, ha
anunciado recientemente el agotamiento de los bloques de
direcciones IPv4. Redes IOT, a su vez, se espera que para
incluir miles de millones de nodos, cada uno de los cuales será
(en principio) de forma única direccionable. Una solución a
este problema se ofrece por el estándar IPv6 [24], que
proporciona un campo de 128 bits dirección fi, por lo que es
posible asignar una dirección IPv6 única a cualquier posible
nodo de la red la IO.
Mientras que, por un lado, el enorme espacio de direcciones
IPv6 permite resolver los problemas que abordan en la IO; Por
otro lado, introduce gastos generales que no son compatibles
con las escasas capacidades de nodos restringidos. Este
problema se puede superar mediante la adopción de
6LoWPAN [25], [26], que es un formato de compresión
establecido para IPv6 y las cabeceras UDP más de las redes de
baja potencia limitados. Un enrutador de frontera, que es un
dispositivo conectado directamente a la red 6LoWPAN, lleva a
cabo de forma transparente la conversión entre IPv6 y
6LoWPAN, trans- Lating cualquier paquete IPv6 destinado a
un nodo en la red 6LoWPAN en un paquete con el formato de
compresión de cabecera 6LoWPAN, y el funcionamiento de la
traducción inversa en la dirección opuesta.
Si bien el despliegue de un router frontera 6LoWPAN
permite la interacción transparente entre la IO nodos y
cualquier host IPv6 en Internet, la interacción con IPv4-sólo
anfitriones sigue siendo un problema. Más específicamente, el
problema consiste en fi hallazgo una manera de abordar una
específica host IPv6 utilizando una dirección IPv4 y otros
metadatos disponibles en el paquete. A continuación,
presentamos distintos enfoques para lograr este objetivo
v4 / v6 traducción de direcciones de puerto (PAT v4 / v6). Este
método Mapas pares arbitrarios de direcciones IPv4 y puertos
TCP / UDP en Las direcciones IPv6 y puertos TCP / UDP. Se
asemeja a la clásica Network Address y Port Translation
(NAPT) servicio actualmente apoyado en muchas redes de área
local para proporcionar acceso a Internet a un número de hosts
en una red privada, compartiendo un IPv4 pública común
dirección, que se utiliza para hacer frente a los paquetes sobre
el público Internet. Cuando un paquete es devuelto a la
dirección IPv4 común, el Reuter de borde que soporta el
servicio NATP interceptará el paquetes y reemplazar la
dirección IPv4 de destino común con el Dirección (privada) del
receptor pretendido, que está determinada por mirando hacia
arriba en la tabla NATP la dirección del host asociado a el
puerto de destino especificado realizada por el paquete. Lo
mismo técnica se puede utilizar para mapear múltiples
direcciones IPv6 en una dirección pública IPv4, que permite la
transmisión de la datagramas en la red IPv4 y su gestión
correcta en IPv4-sólo anfitriones. La aplicación de esta técnica
requiere bajo complejidad y, de hecho, la asignación de puertos
es una técnica establecida para v4 transición / v6. Por otra
parte, este enfoque plantea un problema de escalabilidad, ya
que el número de hosts IPv6 que puede ser multiplexados en
una sola dirección IPv4 está limitado por el número de puertos
TCP / UDP disponibles (65.535). Además, este enfoque
requiere que se inició la conexión por el IPv6 nodos en Para
crear las entradas correctas en la tabla de consulta NATP.
Conexiones a partir de la nube de IPv4 también se pueden
realizar, pero esto requiere una arquitectura más compleja, con
el DNS local colocado dentro de la red IPv6 y estáticamente
asociado a una dirección IPv4 pública en la tabla de traducción
NATP.
v4 / v6 de nombres de dominio de conversión. Este método,
originalmente propuesto en [23], es similar a la técnica utilizada
para proporcionar servicio de alojamiento virtual en HTTP 1.1,
lo que hace posible soportar múltiples sitios web en el mismo
servidor web, compartiendo la misma dirección IPv4, mediante
la explotación de la información contenida en la cabecera
HTTP al anfitrión para identificar el sitio web específica
solicitada por el usuario. Del mismo modo, es posible
programar los servidores DNS de tal manera que, tras una
petición DNS para el nombre de dominio de un servicio web
IoT, el DNS devuelve la dirección IPv4 de un HTTP- COAP
proxy de cruz para ser contactado para acceder a la IoT nodo.
Una vez abordado por una solicitud HTTP, el proxy requiere la
resolución del nombre de dominio que figura en la cabecera
HTTP al anfitrión para el servidor DNS IPv6, que responde con
la dirección IPv6 que identifica el final nodo IoT fi involucrado
en la solicitud. El proxy entonces puede reenviar el mensaje
HTTP al IoT pretendido a través de COAP.
ZANELLA et al.: INTERNET OF THINGS FOR SMART CITIES 29
Mapeo URI. El Universal recurso Identificador (URI) técnica
de mapeo también se describe en [23]. Esta técnica consiste en
un tipo particular de HTTP-coap proxy de cruz, el proxy
inverso cruz. Este poder se comporta como el servidor web
final a la / cliente IPv4 HTTP y como el cliente original al
servidor web / IPv6 COAP. Dado que esta máquina tiene que
ser colocado en una parte de la red donde la conectividad IPv6
está presente para permitir el acceso directo a los nodos final
IoT, la conversión IPv4 / IPv6 se resuelve internamente por la
función de mapeo URI aplicado.
B. Nivel de Enlace Tecnologías
Un sistema de la IO urbano, debido a su zona de despliegue
inherentemente grande, requiere un conjunto de tecnologías de
capa de enlace que puede cubrir fácilmente una amplia zona
geográfica y, al mismo tiempo, apoyar una posible gran
cantidad de tráfico que resulta de la agregación de un altísimo
número de datos más pequeños flujos. Por estas razones, las
tecnologías de la capa de enlace que permiten la realización de
un sistema de la IO urbana se clasifican en tecnologías no
restringidos y limitados. El primer grupo incluye toda la LAN
tradicional, MAN, WAN y tecnologías de la comunicación,
tales como Ethernet, WiFi, fibra óptica, banda ancha Power
Line Communication (PLC), y las tecnologías celulares, tales
como UMTS y LTE. Se caracterizan generalmente por una alta
fiabilidad, baja latencia y altas tasas de transferencia (orden de
Mbit / s) o superiores, y debido a su complejidad y consumo de
energía inherente en general, no son adecuados para los nodos
de la IO periféricos.
Las tecnologías de capa física y de enlace están limitados, en
cambio, caracterizan generalmente por un bajo consumo de
energía y las tasas de transferencia relativamente baja,
típicamente menor que 1 Mbit / s. Las soluciones más
prominentes en esta categoría son IEEE 802.15.4 [27], [28]
Bluetooth y Bluetooth energía baja IEEE 802.11 de baja
potencia, PLC [29], NFC y RFID [30]. Estos enlaces
normalmente presentan latencias largas, debido principalmente
a dos factores: 1) la baja tasa de transmisión intrínsecamente
camente en la capa física y 2) las políticas de ahorro de energía
implementadas por los nodos para ahorrar energía, que
generalmente implican ciclo de trabajo con poca activa
períodos.
C. dispositivos
Finalmente describir los dispositivos que son esenciales para
realizar una IoT urbano, clasifican según la posición que
ocupan en la comunicación de flujo.
Bluetooth SIG, Adopted Bluetooth Core Specifications [Online]. Available:
https://www.bluetooth.org/Technical/Specifications/adopted.htm.
1) Servidores backend: En la raíz del sistema, encontramos los
servidores backend, que se encuentra en el centro de control,
donde se recogen los datos, almacenados y procesados para
producir servicios de valor añadido. En principio, los servidores
backend no son obligatorios para una tem IoT ma funciona
correctamente, a pesar de que se convierten en un componente
fundamental de un IoT urbana donde pueden facilitar el acceso
a la elegante ciudad de servicios y datos abiertos a través de la
infraestructura de red legado. Sistemas backend comúnmente
considerados para la interconexión con los alimentadores de
datos IO son los siguientes.
Sistemas de gestión de bases de datos: Estos sistemas son los
encargados de almacenar la gran cantidad de información
producida por la IO linfáticos periféricos, tales como sensores.
Dependiendo del escenario de uso particular, la carga en estos
sistemas puede ser bastante grande, de modo que se requiere
dimensionamiento adecuado del sistema backend.
Sitios Web: El conocimiento generalizado de las personas con
web interfaces de ellas la primera opción para permitir la
interoperabilidad entre el sistema de la IO y los "consumidores
de datos," por ejemplo, las autoridades públicas, operadores de
servicios, proveedores de servicios públicos, y ciudadanos
comunes hace.
Sistemas de planificación de recursos empresariales (ERP):
ERP componentes apoyan una variedad de funciones de
negocios y son herramientas valiosas para gestionar el flujo de
información a través de una organización compleja, como una
administración de la ciudad. Interfaz componentes ERP con los
sistemas de gestión de bases de datos que recogen los datos
generados por el IoT permite una gestión sencilla de la cantidad
potencialmente masiva de los datos recogidos por el IoT, por lo
que es posible separar la información fluye en función de su
naturaleza y relevancia y facilitar la creación de nuevos
servicios.
2) entrada: Traslado hacia el "borde" de la IoT, encontramos
las puertas de enlace, cuya función es interconectar los
dispositivos finales de la principal infraestructura de
comunicación del sistema. Con referencia a la arquitectura de
protocolo conceptual se representa en la Fig. 2, la puerta de
entrada es, por tanto, la obligación de proporcionar la
traducción del protocolo y el mapeo funcional entre los
protocolos sin restricciones y sus homólogos restringidos, es
decir XML EXI, HTTP-COAP, IPv4 / v6-6LoWPAN.
Tenga en cuenta que, si bien todas estas traducciones pueden
ser necesarios para permitir la interoperabilidad con los
dispositivos periféricos de la IO y puestos de control, no es
necesario concentrar todas ellas en una única puerta de enlace.
Más bien, es posible, y, a veces conveniente, para distribuir las
tareas de traducción a través de diferentes dispositivos en la
red. Por ejemplo, un solo proxy HTTP-COAP se puede
implementar para soportar múltiples routers fronterizos
6LoWPAN.
30 IEEE INTERNET OF THINGS JOURNAL, VOL. 1, NO. 1, FEBRUARY 2014
Dispositivos de puerta de enlace facilitarán también la
interconexión ESTÁ el tween tecnologías sin restricciones de
capa de enlace, que se utiliza principalmente en el núcleo de la
red de la IO y tecnologías restringidas que, en cambio,
proporcionan conectividad entre los nodos periféricos de la IO.
3) la IO periféricos Nodos: Por último, en la periferia del
sistema de la IO, encontramos los dispositivos encargados de
producir los datos que se entregarán al centro de control, que
generalmente se llama la IO linfáticos periféricos o, más
simplemente, los nodos de la IO. Hablando en general, el coste
de estos dispositivos es muy baja, a partir de 10 USD o incluso
menos, dependiendo de la especie y el número de sensores /
actuadores montados en el tablero. Nodos IO pueden
clasificarse sobre la base de una amplia serie de características,
tales como el modo de accionar, la creación de redes papel (relé
o la hoja), Equipos de sensores / actuadores, y las tecnologías
de la capa de enlace soportados. Los nodos de la IO más
limitados probablemente las etiquetas de Radio Frecuencia
(RFtags) que, a pesar de sus capacidades muy limitadas, todavía
puede desempeñar un papel importante en los sistemas de la IO,
principalmente debido a la extremadamente bajo costo y la
naturaleza pasiva de su hardware de comunicación, que no
requiere ninguna fuente de energía interna. La aplicación típica
de RFtags es objeto de identificación por la lectura de
proximidad, que se puede utilizar para la logística,
mantenimiento, vigilancia y otros servicios.
Los dispositivos móviles, como teléfonos inteligentes, Tablet
PC o laptops, también pueden ser una parte importante de un
IoT urbana, proporcionando otras formas de interactuar con él.
Por ejemplo, el transceptor NFC integrado en los teléfonos
inteligentes de última generación se puede utilizar para
identificar objetos etiquetados, mientras que el servicio de geo
localización proporcionado por la mayoría de los sistemas
operativos comunes para los dispositivos móviles puede
enriquecer la información de contexto asociado a ese objeto.
Además, los dispositivos móviles pueden proporcionar acceso a
la IO de diferentes maneras, por ejemplo, 1) a través de una
conexión IP proporcionada por el servicio celular de datos de
enlace o 2) el establecimiento de una conexión directa con
algunos de los objetos mediante el uso de tecnologías
inalámbricas de corto alcance, tales como Bluetooth baja
energía, WiFi de baja potencia, o IEEE 802.15.4. Además, es
posible desarrollar aplicaciones específicas para dispositivos
móviles que pueden facilitar la interacción con los objetos de la
IO, y con el sistema en su conjunto.
IV. UN ESTUDIO EXPERIMENTAL: PADUA Smart City
El marco se discute en este trabajo ya se ha aplicado con éxito a
una serie de diferentes casos de uso en el contexto de sistemas
de IO. Por ejemplo, el banco de pruebas experimental
inalámbrica red de sensores, con más de 300 nodos, desplegado
en la Universidad de Padua [31], [32] se ha diseñado de
acuerdo con estas directrices, y utilizado con éxito para realizar
demostraciones de prueba de concepto de Smart rejilla [33] y el
cuidado de la salud [34] servicios.
En esta sección, se describe una implementación práctica de un
IoT urbana, llamada «Padova Smart City", que se ha realizado
en la ciudad de Padua; gracias a la colaboración entre las partes
públicas y privadas, como el municipio de Padua, que ha
patrocinado el proyecto, el Departamento de Información ing
de la Universidad de Padua, que ha proporcionado la base
teórica y el análisis de viabilidad del proyecto, y Patavina
Tecnologías , 9 un spin-off de la Universidad de Padua
especializada en el desarrollo de soluciones innovadoras de la
IO, que ha desarrollado los nodos de la IO y el software de
control.
El objetivo principal de Padua Smart City es promover la
pronta adopción de soluciones de datos y TIC abren por la
administración pública. La aplicación de destino consiste en un
sistema de recogida de datos ambientales y el control de la
iluminación de la vía pública por medio de nodos inalámbricos,
equipadas con diferentes tipos de sensores, colocados en los
postes de luz de la calle y conectados a Internet a través de una
unidad de puerta de enlace. Este sistema deberá permitir
recoger parámetros ambientales interesantes, como el nivel de
CO, temperatura del aire y la humedad, vibraciones, ruido, etc.,
mientras que proporciona un mecanismo simple pero preciso
para comprobar el funcionamiento correcto del sistema de
alumbrado público mediante la medición de la luz intensidad
en cada puesto. Aunque este sistema es una sencilla aplicación
del concepto IoT, todavía implica una serie de diferentes
dispositivos y tecnologías de la capa de enlace, siendo por lo
tanto representante de la mayoría de los problemas críticos que
deben ser atendidos en el diseño de un IoT urbano. Una visión
general de alto nivel de los tipos y funciones de los dispositivos
que intervienen en el sistema se da aquí en adelante.
Padova componentes ciudad inteligente: un boceto conceptual
del Padova Smart City arquitectura del sistema se da en la Fig.
3. En lo que sigue, se describen con más detalle los diferentes
componentes de hardware y software del sistema.
ZANELLA et al.: INTERNET OF THINGS FOR SMART CITIES 31
Fig. 3. La arquitectura del sistema de "Padova Smart City".
Luz de calle: Es la parte de la hoja del sistema en el que se
colocan los nodos de la IO. Cada farola se localiza
geográficamente en el mapa de la ciudad y se asocia
únicamente al nodo de la IO se le atribuye, por lo que los datos
de la IO se pueden mejorar con información de contexto. El
monitoreo de la operación correcta de las bombillas se realiza
a través de sensores del fotómetro que miden directamente la
intensidad de la luz emitida por las lámparas (o, en realidad,
por cualquier fuente cuya luz llega al sensor) a intervalos de
tiempo regulares oa petición. Los nodos de la IO inalámbricos
también están equipados con sensores de temperatura y
humedad, que proporcionan datos relativos a condiciones
climáticas, y un nodo también está equipado con un benceno ()
Sensor, que monitorea la calidad del aire. Los nodos de la IO
son accionados generalmente por baterías pequeñas, aunque la
conexión a una red de baja potencia es requerido por el sensor
de benceno. El embalaje de los nodos sensores se ha diseñado
teniendo en cuenta los requisitos especí fi cos de este caso de
uso. De hecho, los nodos sensores se han alojado en un escudo
de plástico transparente que protege los componentes
electrónicos de los fenómenos atmosféricos (como lluvia o
nieve), al tiempo que permite la circulación de aire y luz para
la medición correcta de la humedad, la temperatura y la
intensidad de luz .Obligado tecnologías de capa de enlace:
montados Los nodos IoT en los postes de alumbrado público
formar una nube multihop 6LoWPAN, usando IEEE 802.15.4
tecnología de capa de enlace restringida. Enrutamiento
funcionalidades se proporcionan por el Protocolo de
enrutamiento de IPv6 para la energía baja y con pérdidas
Networks (RPL) [35]. Los nodos de la IO se asignan
direcciones IPv6 únicas, adecuadamente comprimido de
acuerdo con la Norma 6LoWPAN. Cada nodo puede ser
accesible individualmente desde cualquier lugar del Internet
mediante IPv6 / 6LoWPAN. Nodos entregan colectivamente
sus datos a un nodo receptor, lo que representa el único punto
de contacto para los nodos externos. Alternativamente, cada
nodo puede publicar sus propias características y datos
mediante la ejecución de un servidor COAP, aunque esta
característica no está implementada aún en el banco de
pruebas. En cualquier caso, se requiere una puerta de entrada
para cerrar la nube 6LoWPAN a Internet y realizar toda la
transcodificación se describe en la sección anterior.
Gateway WSN: La puerta de enlace tiene el papel de interfaz
de la tecnología de capa de enlace constreñido usado en los
sensores de nube con tecnologías tradicionales WAN
utilizados para proporcionar conectividad a los servidores
centrales de backend. La puerta de entrada, por lo tanto juega
el papel de enrutador de frontera 6LoWPAN y nodo raíz RPL.
Además, dado que los nodos sensores no son compatibles con
los servicios COAP, la puerta de entrada también funciona
como nodo sumidero de la nube del sensor, la recopilación de
todos los datos que necesitan ser exportados a los servicios de
back-end. La conexión a los servicios de back-end es
proporcionada por las tecnologías de comunicación sin
restricciones comunes, fibra óptica en este ejemplo específico.
HTTP-COAP de proxy: El proxy HTTP-COAP permite tras
comunicación entre padres con dispositivos COAP. La lógica
de proxy se puede extender a mejores aplicaciones de
monitoreo de apoyo y limitar la cantidad de tráfico se inyecta
en la red periférica IoT. Por ejemplo, es posible especificar
una lista de recursos que deben controlarse, por lo que el
servidor puede actualizar de forma autónoma las entradas en
una memoria caché relacionada con esos dispositivos. Este
mecanismo puede ser apoyado por dos enfoques diferentes: 1)
por votación el recurso seleccionado de forma proactiva, lo
que permite la aplicación de técnicas para la conformación de
tráfico en el proxy o en el gateway y 2) mediante la
suscripción al recurso seleccionado con el "observar"
funcionalidad de coap, permitiendo así que el servidor en el
nodo para enviar las actualizaciones sólo cuando el valor
medido por el sensor cae fuera de un cierto rango. Este
servicio se cosituado en la puerta de enlace en el sistema de
centralita Padova Smart City, aunque también podría ser
colocado en los servidores de back-end, por lo que es posible
controlar varias puertas de enlace mediante el uso de una única
instancia de proxy.
32 IEEE INTERNET OF THINGS JOURNAL, VOL. 1, NO. 1, FEBRUARY 2014
Fig. 4. Ejemplo de los datos recogidos por Padova Smart City: (a) la temperatura y (b) la humedad
Fig. 5. Ejemplo de los datos recogidos por Padova Smart City: (a) la luz y (b) benceno.
Servidor de base de datos: el servidor de base de datos recoge el
estado de los recursos que deben controlarse en el tiempo
mediante la comunicación con el servidor proxy HTTP-COAP,
que a su vez se encarga de recuperar los datos necesarios de la
fuente correcta. Los datos almacenados en la base de datos son
accesibles a través de tecnologías de programación web
tradicionales. La información tampoco puede visualizar en
forma de un sitio web, o exportar en cualquier formato de datos
abierto utilizando lenguajes de programación web dinámica. En
la red de Padua Smart City, el servidor de base de datos se
realiza dentro de la WSN Gateway, que por lo tanto, representa
un módulo plug-and-play que proporciona una interfaz
transparente con los nodos periféricos.
Dispositivo móvil Operador: operadores de iluminación
Públicas estarán equipados con dispositivos móviles que
pueden localizar la farola que requiere intervención, tema
actuación manda directamente al nodo de la IO conectado a la
lámpara, y señalar el resultado de la intervención al sistema
central que puede realizar un seguimiento de todos los sola
farola y, por lo tanto, optimizar el plan de mantenimiento.
Este sistema se puede ampliar sucesivamente para incluir otros
tipos de nodos IoT o nubes de nodos de la IoT, siempre que
cada uno IoT sistema periférico soporta una interfaz basada en
HTTP, lo que hace posible interactuar con él en una abertura,
de normas, y de manera independiente de la tecnología.
A. Ejemplo de los datos recogidos por Padova Smart City
Figs. 4 y 5 informe de un ejemplo del tipo de datos que pueden
ser recogidos con el sistema de Padova Smart City. Los cuatro
gráficos muestran la temperatura, la humedad, la luz, y las
lecturas de benceno durante un periodo de 7 días. Las líneas
finas muestran las lecturas reales, mientras que las líneas
gruesas se obtienen mediante la aplicación de un filtro de media
móvil durante un intervalo de tiempo de 1 h (aproximadamente,
10 lecturas de temperatura, humedad y luz, y 120 lecturas del
sensor de benceno, cuya frecuencia de muestreo es más grande
desde el nodo es alimentado por la red). Es posible observar el
patrón regular de las mediciones de luz, correspondiente a los
períodos de día y de noche. En particular, durante el día, la
medida alcanza el valor de saturación, mientras que durante la
ZANELLA et al.: INTERNET OF THINGS FOR SMART CITIES 33
noche, los valores son más irregular, debido a las reflexiones re
producidos por las luces del vehículo. Un patrón similar se
exhibe por las mediciones de humedad y temperatura que, Sin
embargo, son mucho más ruidosos que los de la luz. Las
mediciones de benceno también revelan una disminución de los
niveles de benceno en la noche, como se esperaba debido a la
más ligera la noche tráfico, pero bastante sorprendentemente
No hay variaciones evidentes en los niveles de benceno durante
el día durante el fin de semana (octubre 26-27). También es
interesante observar el pico de benceno medido en la tarde del
29 de octubre Examen de las lecturas de los otros sensores en el
mismo intervalo de tiempo, podemos notar una fuerte
disminución de la intensidad de la luz y la temperatura, y un
aumento de la humedad.
V. CONCLUSIÓN
En este trabajo, se analizaron las soluciones actualmente
disponibles para la ejecución de IOT urbanas. Las tecnologías
tratadas son cerca de ser estandarizado, y los jugadores de la
industria ya están activos en la producción de dispositivos que
se aprovechan de estas tecnologías para permitir a las
aplicaciones de interés, tales como los descritos en la Sección
II. De hecho, mientras que la gama de opciones de diseño para
sistemas de IO es bastante amplio, el conjunto de protocolos
abiertos y estandarizados es significativamente menor. Las
tecnologías que permiten, además, han alcanzado un nivel de
madurez que permite la realización práctica de soluciones y
servicios de la IO, a partir de ensayos de campo que se espera
ayudar a despejar la incertidumbre que todavía impide que una
adopción masiva del paradigma de la IO. Un hormigón de
prueba de concepto de aplicación, desplegado en colaboración
con la ciudad de Padova, Italia, también ha sido descrito como
un ejemplo relevante de aplicación del paradigma de la IO a las
ciudades inteligentes.
RECONOCIMIENTO
Los autores desean agradecer a la Municipalidad de Padua
(Italia), y el Ing. Alberto Coro, en particular, por el apoyo en la
realización del proyecto "Padova Smart City". Los autores
también agradecen a los ingenieros de Patavina Tecnologías srl
(Http://patavinatech.com/) por su invaluable apoyo en el
despliegue ing el sistema y en el suministro de los datos
experimentales y documentación técnica sobre el proyecto
"Padova Smart City".
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[29] IEEE Communications Society, P1901.2-2013—Standard for Low Fre- quency (less than 500 kHz) Narrow Band Power Line Communications for Smart Grid Applications, IEEE Standard P1901.2-2013.
34 IEEE INTERNET OF THINGS JOURNAL, VOL. 1, NO. 1, FEBRUARY 2014
[30] ISO/IEC 14443-1:2008, Identification Cards—Contactless Integrated Circuit Cards—Proximity Cards—Part 1: Physical Characteristics. [Online]. Available: http://www.wg8.de/wg8n1716_17n3994_Notification_ for_Ballot_FDIS_14443- 1_2008_FDAM1.pdf.
[31] A. P. Castellani, M. Gheda, N. Bui, M. Rossi, and M. Zorzi, “Web services for the Internet of Things through CoAP and EXI,” in Proc. IEEE Int. Conf. Commun. (ICC 2001), Kyoto, Japan, 2011.
[32] P. Casari et al., “The WIreless SEnsor networks for city-Wide Ambient Intelli- gence (WISE-WAI) project,” MDPI J. Sensors, vol. 9, no. 6, pp. 4056–4082, Jun. 2009. [Online]. Available: http://www.mdpi.com/1424-8220/9/6/4056.
[33] N. Bressan, L. Bazzaco, N. Bui, P. Casari, L. Vangelista, and M. Zorzi, “The deployment of a smart monitoring system using wireless sensor and actuator networks,” in Proc. IEEE Smart Grid. Comm., Gaithersburg, MD, 2010, pp. 49–54.
[34] N. Bui and M. Zorzi, “Health care applications: A solution based on the Internet of Things,” in Proc. ISABEL, Barcelona, Spain, Oct. 2011, pp. 1–5.
[35] T. Winter, P. Thubert, A. Brandt, J. Hui, R. Kelsey, K. Pister, R. Struik, J. P. Vasseur, and R. Alexander, RPL: IPv6 routing protocol for low-power and lossy networks, RFC6550, s.l.: IETF Mar. 2012. [Online]. Available: http://tools.ietf.org/html/rfc6.
[36] R. Bonetto, N. Bui, V. Lakkundi, A. Olivereau, A. Serbanati, and M. Rossi, “Secure communication for smart IoT Objects: Protocol stacks, use cases and practical examples,” in Proc. IEEE IoT-SoS, San Francisco, CA, USA, 2012, pp. 1–7.
Andrea Zanella (S’98–M’01–SM’13) recieved the Laurea degree in computer engineering and Ph.D. degree in electronic and telecommunications engi- neering from the University of Padova, Padova, Italy, in 1998 and 2000, respectively.
He was a Visiting Scholar with the Department of Computer Science, University of California, Los Angeles (UCLA), Los Angeles, CA, USA, in 2000. He is an Assistant Professor with the Depart- ment of Information Engineering (DEI), University of Padova. He is one of the coordinators of the
SIGnals and NETworking (SIGNET) research lab. His long-established research activities are in the fields of protocol design, optimization, and performance evaluation of wired and wireless networks.
Nicola Bui received the B.E. and M.E. degrees in telecommunication engineering from the University of Ferrara, Ferrara, Italy, in 2003 and 2005, respec- tively, and is currently working toward the Ph.D. degree from the University Carlos III de Madrid, Madrid, Spain.
Currently, he is a Research Engineer with IMDEA Networks, Madrid, Spain. Until May 2013, he served as General Manager of Patavina Technologies, Venezia, Italy, operating in ICT field design and systems development for the Internet of Things (IoT).
Also, he had been a Research Fellow with the Consorzio Ferrara Ricerche, Ferrara, Italy and with the Department of Information Engineering, University of Padova, Padova, Italy for 5 years. During this period, he was involved in many European- and Italian-funded projects, including: Ambient Networks, IoT-Ar- chitecture, SWAP, dealing with sensor networks, and the Internet of Things. Currently, he is working in the eCOUSIN project, focused on content distribution network optimization.
Lorenzo Vangelista (S’93–M’97–SM’02) received the Laurea and Ph.D. degrees in electrical and tele- communication engineering from the University of Padova, Padova, Italy, in 1992 and 1995, respectively.
He subsequently joined the Transmission and Optical Technology Department, CSELT, Torino, Italy. From December 1996 to January 2002, he was with Telit Mobile Terminals, Trieste, Italy, and then, until May 2003, was with Microcell A/S, Copenaghen, Denmark. In July 2006, he joined the Worldwide Organization Of Infineon Technologies as
Program Manager. Since October 2006, he has been an Associate Professor of Telecommunication with the Department of Information Engineering, Padova University. His research interests include signal theory, multicarrier modulation techniques, cellular networks, wireless sensors and actuators networks, and smartgrid.
Michele Zorzi (S’89–M’95–SM’98–F’07) received the Laurea and Ph.D. degrees in electrical engineering from the University of Padova, Padova, Italy, in 1990 and 1994, respectively.
During academic year 1992–1993, he was on leave at the University of California at San Diego (UCSD). In 1993, he joined the Faculty of the Dipartimento di Elettronica e Informazione, Politecnico di Milano, Milano, Italy. After spending 3 years with the Center for Wireless Communications at University of California, San Diego, La Jolla, CA, USA, in 1998,
he joined the School of Engineering of the University of Ferrara, Ferrara, Italy, where he became a Professor in 2000. Since November 2003, he has been on the faculty of the Information Engineering Department at the University of Padova. His present research interests include performance evaluation in mobile communications systems, WSN and Internet of Things, and underwater communications.
Dr. Zorzi was an Editor-In-Chief of IEEE TRANSACTIONS ON WIRELESS COM-
MUNICATIONS from 2003 to 2005 and of IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS
from 2008 to 2011. He served as a Member-at-Large of the Board of Governors of the IEEE Communications Society from 2009 to 2011, and is currently its Director of Education.
Angelo P. Castellani recieved the B.E. and M.E. degrees and summa cum laude from the University of Rome “Sapienza”, Rome, Italy in 2004 and 2006, respectively, and the Ph.D. degree in information engineering from the University of Padova, Paduva, Italy, in 2012.
He is currently working in the R&D department of TeSAN, Vicenza, Italy, an e-Health Italian company. His research interests are in the fields of sensor net- works and the Internet of Things (IoT), including protocol design, and experimentation. He has been
active in standardization work within the IETF and involved in the EU-funded IoT-Architecture project, both activities were centered around IoT networking research.