Exercicis: Elements i protocols de comunicació

Explica amb les teves paraules què és l'internet de les coses i descriu dos exemples d'objectes connectats que coneguis, indicant quines dades envien o reben.

Tot sistema IoT combina quatre elements: sensors, actuadors, connectivitat i aplicació. Explica què aporta cadascun al sistema i posa un exemple concret de cada element dins d'un habitatge intel·ligent.

La figura mostra l'arquitectura d'un sistema IoT que vigila la humitat d'una planta: el sensor envia les dades per wifi fins a la xarxa i la persona les consulta en una aplicació del mòbil, però un dels elements està tapat amb un signe d'interrogació, com es mostra a la figura.

Indica quin element falta a la cadena i quines funcions compleix (emmagatzemar i processar les dades, estar accessible des de qualsevol lloc...). Després, descriu el recorregut complet d'una dada des de la planta fins a la pantalla del mòbil.

Explica què és un sensor i descriu tres sensors habituals en dispositius IoT (temperatura, humitat, llum, moviment, distància...), indicant què mesura cadascun.

Explica què és un actuador i descriu tres actuadors d'un habitatge intel·ligent (relé d'endoll, pany motoritzat, vàlvula de reg), indicant quina acció fa cadascun.

Explica amb les teves paraules què és una adreça IP i per què cada dispositiu connectat a una xarxa necessita una adreça única (funciona com l'adreça postal del dispositiu dins de la xarxa).

Què és l'aparellament (pairing) bluetooth? Descriu una situació en què l'hagis utilitzat i quina seguretat aporta que dos dispositius s'hagin d'aparellar abans de comunicar-se.

En una app de jardí intel·ligent, la dada «humitat 38 %» i el missatge «rega aquesta tarda» no són el mateix. Explica la diferència entre dada i informació, i quina part del sistema converteix la primera en la segona.

Compara wifi i bluetooth com a protocols per a un dispositiu IoT (abast, consum d'energia, velocitat, necessitat de xarxa) i raona quin triaries per a: (a) un braçalet d'activitat que se sincronitza amb el mòbil i (b) una càmera de seguretat que envia vídeo en temps real.

Analitza un termòstat intel·ligent: identifica quines dades captura, on es processen (al mateix aparell o al núvol), quines decisions pren de manera automàtica i què veu i què pot ordenar la persona usuària des de l'aplicació.

Un agricultor vol instal·lar vint sensors d'humitat de sòl repartits per un camp on no hi ha cobertura wifi. Proposa una solució de connectivitat raonable (xarxa de llarg abast i baix consum, passarel·la intermèdia...) i justifica la teva elecció enfront d'utilitzar simplement wifi o bluetooth.

Tria i justifica la connectivitat (wifi, bluetooth o dades mòbils) per a: (a) un rellotge esportiu que se sincronitza amb el mòbil, (b) un timbre amb vídeo que envia imatge en directe i (c) un localitzador de bicicleta que pot estar lluny de casa. Valora l'abast, el consum de bateria i el cost de dades en cada cas.

Un sensor alimentat amb piles no pot transmetre contínuament sense esgotar-les. Explica dues estratègies d'estalvi energètic en IoT (adormir el dispositiu entre mesures, enviar resums per intervals en comptes de cada lectura) i què es perd amb cadascuna (immediatesa, nivell de detall).

Alguns sensors no es connecten directament a internet, sinó a una passarel·la (gateway) que parla per ells. Explica què és una passarel·la IoT, quan cal (sensors amb protocols de baix consum sense IP pròpia, instal·lacions amb molts sensors) i quin avantatge de gestió aporta.

Analitza un altaveu amb assistent de veu: quin processament té lloc al mateix aparell (detectar la paraula d'activació) i quin al núvol (entendre la petició i respondre), i quines funcions deixen d'estar disponibles quan cau la connexió a internet.

Una càmera IP ve amb la contrasenya de fàbrica «admin/admin». Analitza el risc concret de no canviar-la (les llistes de contrasenyes per defecte circulen per internet i els dispositius es localitzen amb cercadors especialitzats) i descriu dues mesures bàsiques de seguretat per a qualsevol dispositiu IoT domèstic.

En un hivernacle escolar automatitzat es detecta que les plantes pateixen fongs perquè el sistema rega indiscriminadament cada vegada que la humitat del sòl baixa del 30 %, fins i tot de nit o amb una humitat ambiental alta, i a més una caiguda puntual del Wi-Fi va provocar una inundació en quedar la vàlvula oberta. Redissenya el sistema IoT: 1) Selecciona i justifica quins sensors addicionals has d'incorporar a més del d'humitat del sòl. 2) Dissenya un algorisme de control lògic amb condicions compostes (humitat del sòl, humitat ambiental, temperatura i franja horària) per optimitzar el reg i evitar malalties vegetals. 3) Justifica raonadament si la decisió d'obrir o tancar l'electrovàlvula s'ha d'executar al microcontrolador local (Edge Computing) o en un servidor al núvol per garantir la seguretat de la instal·lació davant de talls de xarxa.

En una auditoria de seguretat a un habitatge domòtic amb càmeres IP, altaveus intel·ligents i endolls connectats es detecten tres incidents: una càmera emet trànsit de vídeo continu a l'exterior utilitzant credencials de fàbrica sense xifrar; un altaveu envia al núvol gravacions capturades per falses activacions; i un endoll compromès permet a un atacant dins de la xarxa Wi-Fi interceptar el trànsit local. Analitza el vector d'atac que aprofita cada vulnerabilitat i dissenya una estratègia tècnica de mitigació que inclogui segmentació de xarxa (VLANs o subxarxes separades), polítiques d'autenticació i xifratge, i ajustos de configuració física o lògica per neutralitzar els tres riscos.

Una empresa proposa instal·lar en un institut un sistema d'alarma contra incendis i control ambiental 100 % dependent del núvol: els sensors de fum i CO2 envien lectures per Wi-Fi a un servidor remot, el qual processa les dades i retorna als actuadors l'ordre de fer sonar les sirenes i obrir comportes. Rebat tècnicament aquesta proposta avaluant els riscos de latència, disponibilitat de xarxa i punts únics de fallada en una emergència. A continuació, dissenya una arquitectura híbrida (Edge Computing i Cloud Computing) detallant quines funcions específiques s'han d'executar obligatòriament en local en temps real i quines s'han de delegar al núvol, justificant la partició de tasques.

En una aula de 30 estudiants es vol automatitzar el monitoratge de CO2 i la ventilació mecànica. Si es programa un llindar fix de 800 ppm, el sistema encén i apaga contínuament l'extractor cada vegada que la concentració oscil·la entre 795 i 805 ppm, provocant un soroll molest i un desgast prematur del motor. 1) Dissenya una lògica de control amb histèresi (estableix dos llindars justificats: un d'activació i un altre de desactivació) per resoldre aquest problema. 2) Justifica l'elecció del tipus de sensor (tecnologia òptica NDIR enfront de sensors electroquímics MOX de baix cost) atenent a la selectivitat dels gasos i a l'estabilitat de les mesures. 3) Avalua quina tecnologia de connectivitat (Wi-Fi enfront de Zigbee o Bluetooth LE) és més idònia si el sensor s'ha de situar al centre de l'aula alimentat per una bateria que ha de durar tot el curs escolar.

Un collar localitzador per a animals compta amb una bateria de 800 mAh. Amb el receptor GPS encès de manera contínua (consum de 35 mA) i un mòdem 4G enviant dades cada 20 segons (consum mitjà de 65 mA), el dispositiu s'apaga en menys de 9 hores. Dissenya una estratègia tècnica per aconseguir una autonomia mínima de 20 dies sense augmentar la mida de la bateria: 1) Proposa una arquitectura de funcionament basada en modes de repòs profund (deep sleep) combinada amb un sensor de baix consum que desperti el microcontrolador només quan calgui. 2) Justifica la substitució de la connectivitat 4G convencional per una xarxa LPWAN (com NB-IoT o LoRaWAN), analitzant el compromís entre cabal de dades, consum i cobertura. 3) Analitza quines concessions has d'assumir en la precisió de la trajectòria si l'animal s'extravia.

El contracte d'un nou assistent de veu IoT indica que el dispositiu grava i puja al servidor fragments d'àudio de manera periòdica per «entrenar algorismes de reconeixement acústic i millorar l'experiència d'usuari». Com a responsable de privacitat i disseny tecnològic: 1) Analitza la diferència tècnica entre el processament local de la paraula d'activació (wakeword) al xip del dispositiu i l'enviament directe del flux d'àudio al núvol, avaluant els riscos de filtració de converses privades o dades de menors. 2) Dissenya tres requisits tècnics rigorosos (a nivell de maquinari, xifratge i polítiques de retenció de dades) que imposaries al fabricant per evitar el monitoratge passiu sense consentiment abans d'autoritzar-ne la compra.

Un usuari té bombetes que només funcionen mitjançant l'app al núvol del fabricant A, endolls Zigbee dependents d'una passarel·la propietària B, i sensors de presència Wi-Fi del fabricant C que no admeten integracions externes. 1) Explica a nivell tècnic per què és impossible executar una regla directa i local del tipus «si el sensor C detecta moviment, encendre la bombeta A només si l'endoll B està actiu». 2) Analitza els problemes de latència, seguretat i obsolescència que genera la dependència de plataformes multinúvol enfront de l'ús d'estàndards universals unificats (com Matter sobre xarxes Thread o passarel·les locals obertes). 3) Defineix quins tres criteris tècnics d'interoperabilitat i compatibilitat de protocols ha d'exigir l'usuari abans de comprar qualsevol nou dispositiu per garantir la seva integració completa.

En una explotació agrària de 5 km² s'instal·len 50 nodes sensors d'humitat i temperatura alimentats amb bateria. Cada node transmet un paquet de 100 bytes cada 10 minuts. Es compara l'ús de Wi-Fi convencional enfront d'una xarxa LPWAN (com LoRaWAN a la banda de 868 MHz). 1) Calcula el volum total de dades generat per tota la xarxa en un dia (en kB) i en un mes de 30 dies (en MB). 2) Sabent que la normativa europea a 868 MHz imposa un cicle de treball («duty cycle») màxim de l'1 % (el node no pot emetre més de l'1 % del temps), demostra numèricament si un node que triga 450 ms a modular i emetre el seu paquet compleix la legalitat en transmetre cada 10 minuts. 3) Justifica tècnicament per què una xarxa LPWAN és superior a una xarxa Wi-Fi per a aquest desplegament concret, valorant topologia, abast, penetració en vegetació i autonomia energètica.

Repte del tema. Com optimitzaries el confort tèrmic del teu habitatge mitjançant IoT sense disparar el consum elèctric? Dissenya una proposta domòtica connectada basada en dades reals.

1. Presa de dades reals: Consulta al web d'AEMET o REE i registra a LibreOffice Calc la temperatura exterior o el cost horari de la llum a la teva zona durant un dia representatiu (mínim 6 preses, p. ex. $0,16$ €/kWh).

2. Elements del sistema: Defineix l'arquitectura IoT identificant sensors (temperatura/humitat), actuadors (relés per a caldera o vàlvules termostàtiques) i el node de processament (p. ex. ESP32 o micro:bit simulada a MakeCode).

3. Protocols de comunicació: Justifica raonadament els protocols triats per a la capa física/enllaç (Zigbee enfront de Wi-Fi) i d'aplicació (MQTT enfront d'HTTP), analitzant latència, cobertura i eficiència energètica.

4. Proposta tècnica: Elabora un informe breu (dues pàgines) amb el diagrama de blocs del flux de dades i la lògica de control activada segons les teves dades reals (p. ex. encendre si $T < 19,5\text{ }^\circ\text{C}$ i tarifa reduïda).

Es valorarà:

• Identificació precisa i coherent d'elements de captura, control i actuació.

• Justificació tècnica i comparativa rigorosa dels protocols de comunicació.

• Aplicació lògica i argumentada de les dades reals a les regles de control.

• Qualitat formal, estructuració i claredat de l'informe tècnic final.