Redes para dispositivos IoT

01 · Punto de partida

La red como decisión de producto

En el bloque anterior trabajaste el dato: cómo medirlo, corregirlo y empaquetarlo en un mensaje compacto. Con este tema empieza el bloque de redes y conectividad. Lo primero es entender que elegir la red no es un detalle técnico que se resuelve al final: es una decisión de producto. Cambiarla después implica otro chip, otro circuito de radio, otra certificación y, muchas veces, otra infraestructura que alguien tiene que instalar o contratar.

Una buena elección parte de los requisitos que escribiste en el tema 6 y de la ficha del caso de uso del tema 3: a qué distancia están los equipos, cuántos bytes mandan, con qué frecuencia, con qué energía, y qué infraestructura existe o se puede instalar. Con eso, casi siempre quedan una o dos redes posibles, y el resto es afinar.

Los tres temas siguientes profundizan en Wi-Fi, Bluetooth LE y LoRa. Éste da el mapa para decidir cuál estudiar y usar.

02 · Compromisos

Alcance, velocidad y energía

Toda tecnología de radio reparte tres recursos que no se pueden maximizar a la vez: cuánto alcance logra, cuántos datos por segundo (velocidad) transmite y cuánta energía gasta. Una regla general de la física: cuanto mayor es el alcance, menor es la velocidad que se puede sostener, porque para llegar lejos hay que enviar señales más lentas y robustas que el receptor pueda distinguir del ruido.

Por eso existen familias de redes para fines muy distintos:

• Redes de área personal y local (Bluetooth, Zigbee, Wi-Fi): metros a decenas de metros, velocidades de kilobits a megabits. Sirven dentro de una casa, un edificio o una fábrica.
• Redes de largo alcance y bajo consumo (LPWAN: LoRa y similares): kilómetros, pero de decenas de bits a pocos kilobits por segundo. Sirven para sensores dispersos que envían poco.
• Redes celulares (LTE-M, NB-IoT): cobertura de los operadores, velocidades intermedias, a cambio de un abono y un consumo mayor.

A estos tres ejes se suman otros dos que en un producto pesan tanto como los técnicos: el costo (del chip y del servicio mensual) y la infraestructura que hay que tener o instalar (un punto de acceso, un gateway, una cobertura de operador).

03 · Panorama

Las cinco redes más usadas

Wi-Fi

Es la red que ya está en casi todos los lugares. Da la mayor velocidad y acceso directo a Internet, y no requiere instalar nada, pero conectarse al punto de acceso, obtener una dirección y negociar el cifrado cuesta unos segundos de radio encendida. Ideal para equipos con alimentación eléctrica o carga frecuente. El tema 14 la trabaja a fondo.

Bluetooth Low Energy

Pensada para conexiones cortas y de bajísimo consumo. Su gran ventaja es que el celular ya es un gateway: el dispositivo habla con la aplicación y ésta lleva los datos a Internet. También sirve para configurar un equipo nuevo. Su alcance corto la obliga a depender de algo cercano. Es el tema 15.

Zigbee y Thread

Son redes de malla de bajo consumo, basadas en la norma IEEE 802.15.4, muy usadas en domótica y edificios. Cada nodo con alimentación eléctrica retransmite los mensajes de los demás, de modo que la red cubre una superficie grande con saltos cortos y se reconfigura si un nodo falla. Necesitan un coordinador o un router de borde que las conecte a Internet.

LoRa y LoRaWAN

LoRa es la modulación de radio; LoRaWAN es el protocolo de red que se apoya en ella. Logra kilómetros con potencias muy bajas a cambio de velocidades ínfimas y mensajes de pocas decenas de bytes. Los dispositivos hablan con gateways que reenvían a un servidor de red. Es la red típica de sensores agrícolas y urbanos con batería de años. Es el tema 16.

Celular: LTE-M y NB-IoT

Variantes de la red móvil pensadas para dispositivos: consumen menos que un teléfono, penetran mejor en sótanos y tienen cobertura donde llega el operador, sin que el usuario instale nada. Cuestan más por unidad y por mes, y siguen gastando más energía por mensaje que Bluetooth o LoRa. Son la opción para equipos móviles (logística, vehículos) o aislados de toda infraestructura propia.

04 · Reglas del juego

Espectro y regulación

Las ondas de radio son un recurso compartido y regulado. Dos consecuencias prácticas condicionan el diseño.

• Bandas libres y bandas licenciadas. Wi-Fi, Bluetooth y Zigbee usan la banda de 2,4 GHz, abierta a todos, pero por eso mismo compartida con hornos de microondas, auriculares y miles de redes vecinas: la interferencia es un problema real en lugares densos. LoRa usa bandas por debajo de 1 GHz (868 MHz en Europa, 915 MHz en gran parte de América; el plan exacto depende del país). El celular usa bandas licenciadas que el operador paga y protege.
• Límites de potencia y de tiempo de emisión. En las bandas libres, la norma local fija una potencia máxima y, en algunos casos, un ciclo de trabajo: el porcentaje del tiempo que cada dispositivo puede transmitir (por ejemplo, 1 % en ciertas bandas europeas). Con mensajes de LoRa que duran más de un segundo, ese límite acota cuántos mensajes por hora puede enviar un equipo, tema que desarrollaremos en el tema 16.

Por eso, un producto que se vende en varios países debe prever las variantes regionales de la radio y los trámites de certificación de cada mercado. Un módulo de radio ya certificado simplifica mucho ese camino, como vimos en el tema 4.

05 · Quién pone la red

Red propia o red pública

Además de la tecnología, hay que decidir quién opera la infraestructura. Las dos alternativas tienen costos y riesgos opuestos.

Dos advertencias de ciclo de vida. Con una red propia, el gateway se convierte en un punto único de falla que hay que vigilar y, si importa, duplicar. Con una red pública, la tecnología puede cambiar: los operadores han apagado redes enteras (2G, 3G) y los equipos que dependían de ellas quedaron sin servicio. Un producto de diez años debe preguntarse qué red seguirá existiendo en ese plazo.

06 · Escala

Cuántos dispositivos aguanta una red

Una red no solo debe llegar: debe soportar la cantidad de equipos. El límite aparece de formas distintas:

• Un punto de acceso Wi-Fi atiende decenas de dispositivos con comodidad; con cientos, el tiempo de aire compartido y la memoria del equipo se saturan.
• Un coordinador Zigbee o Thread administra cientos de nodos mediante la malla, pero cada salto agrega demora y consumo en los nodos intermedios.
• Un gateway LoRaWAN puede atender miles de dispositivos que envían poco; el límite es el tiempo de aire total (la suma de todas las transmisiones) y las colisiones entre mensajes simultáneos.
• La red celular soporta una enorme cantidad de dispositivos por antena, y el costo crece linealmente con cada abono.

El tiempo de aire es el recurso oculto: cuando muchos equipos envían a la vez, los mensajes chocan y se pierden. La forma de evitarlo es la misma que ya viste: enviar menos, mensajes más cortos y con retardos aleatorios para no sincronizarse (el jitter del tema 5). En redes con cientos de dispositivos, sincronizar todos los envíos a la hora exacta, o todos al arrancar, es un error clásico.

07 · Analogía con programación

Comparar redes en Python

Cada red se describe con cinco números: alcance máximo, bytes útiles por trama, bytes máximos que tiene sentido enviar en un mensaje, mensajes máximos por día y energía por trama. La función evaluar descarta las redes que no llegan, cuyo mensaje es demasiado grande o que superan el límite de envíos, y calcula la autonomía de una batería de 2000 mAh para las demás: el mensaje se parte en tramas y cada trama gasta su energía, además de 0,24 mAh por día de sueño y 0,0005 mAh por cada lectura. Los valores son didácticos, de orden de magnitud.

import math

BATERIA_MAH = 2000
SUENO_MAH_DIA = 0.24      # microcontrolador dormido (10 µA)
LECTURA_MAH = 0.0005      # medir y preparar cada mensaje

# red: (alcance máximo en metros, bytes útiles por trama, bytes máximos por mensaje, mensajes por día máximos, mAh por trama)
REDES = {
    "Wi-Fi":        (100,    1400, 100000, 100000, 0.02),
    "Bluetooth LE": (50,     244,  1000,   100000, 0.002),
    "Zigbee/Thread": (100,   80,   800,    100000, 0.003),
    "LoRa":         (10000,  51,   51,     650,    0.002),
    "Celular":      (30000,  1400, 100000, 100000, 0.08),
}


def evaluar(alcance_m, bytes_msg, msgs_dia):
    resultado = []
    for nombre, (alcance, trama, max_msg, max_dia, mah_trama) in REDES.items():
        if alcance_m > alcance:
            resultado.append((nombre, None, "no llega"))
        elif bytes_msg > max_msg:
            resultado.append((nombre, None, "mensaje muy grande"))
        elif msgs_dia > max_dia:
            resultado.append((nombre, None, "excede el ciclo de trabajo"))
        else:
            tramas = math.ceil(bytes_msg / trama)
            mah_dia = SUENO_MAH_DIA + msgs_dia * (LECTURA_MAH + tramas * mah_trama)
            resultado.append((nombre, BATERIA_MAH / mah_dia / 365, "ok"))
    return resultado


def mostrar(alcance_m, bytes_msg, msgs_dia):
    print(f"Alcance {alcance_m} m, {bytes_msg} bytes, {msgs_dia} mensajes por día:")
    for nombre, anios, motivo in evaluar(alcance_m, bytes_msg, msgs_dia):
        texto = (f"{anios:5.1f} años" if anios >= 1 else f"{anios * 365:5.0f} días") if anios is not None else f"descartada ({motivo})"
        print(f"  {nombre:<14} {texto}")


mostrar(30, 20, 288)
mostrar(2000, 20, 288)
mostrar(2000, 20, 1440)
mostrar(10, 2000, 288)
mostrar(100, 200, 24)

Resultado con los valores iniciales. A 30 metros con 20 bytes y 288 mensajes por día, Bluetooth LE y LoRa rinden 5,7 años, Zigbee/Thread 4,4, Wi-Fi 326 días y celular 85 días. A 2 km solo quedan LoRa (5,7 años) y celular (85 días). Si además se piden 1440 mensajes por día, LoRa se descarta por el límite de ciclo de trabajo y el celular queda en 17 días. Con 2000 bytes por mensaje a 10 metros solo sobreviven Wi-Fi (168 días) y celular (43 días): el resto no admite mensajes tan grandes. Y con 200 bytes, 24 mensajes y 100 metros, Zigbee/Thread llega a 11,7 años, Wi-Fi a 7,5 y celular a 2,5.

Dos hechos se ven en los números. Uno: las redes de radio corto y bajo consumo ganan en energía, pero solo si hay infraestructura a su alcance. Otro: la red que gana en autonomía no es siempre posible: el alcance, el tamaño del mensaje y los límites de uso descartan opciones antes de llegar a comparar baterías.

08 · Exploración interactiva

¿Qué red me conviene?, de extremo a extremo

Este laboratorio ejecuta el mismo modelo del código anterior. Indicá a qué distancia está el dispositivo de la infraestructura, el tamaño de cada mensaje, cuántos se envían por día y la autonomía objetivo. Las barras muestran los años que dura una batería de 2000 mAh con cada red que cumple; las demás aparecen descartadas con el motivo. Las celestes alcanzan el objetivo, marcado con la línea naranja. Los valores son didácticos.

Recorrido guiado

1. Con los valores iniciales (2 km, 20 bytes, 288 mensajes por día, 3 años), comparás. Solo LoRa (5,7 años) y celular (85 días) llegan tan lejos; solo LoRa cumple el objetivo. Es el caso típico del sensor de campo.
2. Acercá la distancia a 30 m: ahora hay cinco redes posibles. Bluetooth LE y LoRa dan 5,7 años, Zigbee/Thread 4,4. Wi-Fi apenas 326 días y el celular 85. Dentro del alcance, ganan las redes de menor consumo por mensaje.
3. Con 2 km, subí a 1440 mensajes por día: LoRa se descarta por el límite de ciclo de trabajo y solo queda el celular, con 17 días: «No alcanza». Se necesitan menos mensajes o un gateway más cerca para usar otra red.
4. Con 10 m, pedí 2000 bytes por mensaje y 1 año: solo Wi-Fi (168 días) y celular (43 días) admiten mensajes grandes, y ninguna llega al año. Con redes de radio corto, los mensajes grandes se parten en tramas y cada trama gasta.
5. Con 100 m, 200 bytes y 24 mensajes por día: Zigbee/Thread (11,7 años), Wi-Fi (7,5) y celular (2,5). BLE queda fuera por alcance y LoRa por el tamaño del mensaje.
6. Con 10 km: solo LoRa y celular siguen disponibles. Un campo con sensores a esa distancia no tiene otra opción práctica.

09 · Método de trabajo

Cómo elegir la red de un producto

Armá una matriz con las redes candidatas en las columnas y los requisitos en las filas, y descartá en este orden (de lo que no admite excepción a lo negociable):

1. Alcance: ¿a qué distancia de la infraestructura estarán los equipos, con qué obstáculos?
2. Tamaño y frecuencia de los mensajes: ¿cabe en la trama y en los límites de la red?
3. Energía: ¿alcanza la autonomía pedida con ese perfil de envíos?
4. Infraestructura: ¿existe o se puede instalar? ¿Quién la mantiene?
5. Escala: ¿aguanta la cantidad de dispositivos dentro de tres años?
6. Regulación: ¿la banda y la potencia están permitidas en todos los mercados previstos?
7. Costo: chip, certificación y servicio mensual a lo largo de la vida útil (el TCO del tema 6).
8. Futuro: ¿la tecnología seguirá vigente durante toda la vida del producto?

Las primeras tres filas descartan casi todo. Los últimos pasos desempatan. Y conviene hacer una prueba de campo en el lugar real, con el dispositivo real, antes de comprometer miles de unidades: el alcance de las hojas de datos se mide en condiciones ideales.

10 · Comprensión

Confusiones frecuentes

11 · Práctica guiada

Predecí antes de comprobar

1. Elegir la red

Indicá la red que conviene en cada caso: (a) 40 sensores de temperatura en un edificio de oficinas, con batería, que envían cada 10 minutos; (b) sensores de humedad de suelo a 5 km del casco de una estancia, con batería de años; (c) un rastreador de contenedores que viaja entre países; (d) una lámpara enchufada controlada desde el celular.

2. Tramas

Un mensaje de 200 bytes se envía por Zigbee (80 bytes útiles por trama) a 0,003 mAh por trama, y por Bluetooth LE (244 bytes por trama) a 0,002 mAh por trama. ¿Cuánta energía de radio gasta cada uno?

3. Descartar por requisitos

Un sensor debe enviar 500 bytes por mensaje, 100 mensajes por día, a 3 km. ¿Qué redes de la lista del tema descarta cada requisito?

4. Ciclo de trabajo

Una regulación permite que un dispositivo transmita el 1 % del tiempo. Si cada mensaje LoRa ocupa 1,3 s de aire, ¿cuántos mensajes puede enviar por hora y por día?

5. Red propia contra pública

Tenés 300 sensores en un parque industrial de 1 km². Un abono celular cuesta US$ 1 por mes por dispositivo; un gateway LoRa cuesta US$ 600 más US$ 15 mensuales de Internet. ¿Cuánto se paga en 5 años con cada opción (sin contar el hardware de los sensores)?

6. Estampida

500 sensores LoRa envían su lectura cada hora, todos en el minuto 0 de la hora. ¿Qué problema aparece y cómo se evita?

12 · Síntesis

Ideas para recordar

¿Listo para el tema 14?

Antes de avanzar, tomá la ficha de un caso de uso y armá la matriz de redes: completá alcance, tamaño y frecuencia de mensajes, energía e infraestructura, y tachá las redes que no cumplen. Si te queda una o dos, ya sabés cuál estudiar a fondo.

En el próximo tema trabajamos con la red más común: el Wi-Fi en el microcontrolador, cómo conectarse a un punto de acceso, qué estados atraviesa la conexión, cómo leer los datos de red y cómo reducir su costo de energía.