Explorando MQTT y OPC UA: la columna vertebral de la comunicación de IoT

Por Deep Manishkumar Dave, especialista en IoT industrial de LTIMindtree Limited, MA, EE. UU.

Introducción

En el amplio ámbito del Internet de las cosas (IoT), la comunicación fluida y eficiente es primordial. A medida que las industrias evolucionan para volverse más inteligentes y más interconectadas, el papel de los protocolos de IoT se vuelve cada vez más crítico. MQTT (transporte de telemetría de colas de mensajes) y OPC UA (Arquitectura de comunicación de plataforma abierta unificada) son dos de los protocolos que más impulsan este avance en los sectores industrial y de automatización. Su robustez, flexibilidad y características de seguridad los hacen indispensables en el ecosistema de IoT actual. Esta serie de artículos explorará cada protocolo en profundidad, mostrando su importancia y funcionalidades, y por qué se consideran componentes fundamentales de las comunicaciones de IoT.

Entendiendo MQTT

Historia y origen

Desarrollado en 1999 por Andy Stanford-Clark de IBM y Arlen Nipper de Cirrus Link (anteriormente Arcom), MQTT fue creado originalmente para soportar conexiones a oleoductos remotos a través de redes satelitales, lo que requería un sistema de mensajería muy eficiente. El diseño del protocolo fue diseñado específicamente para conservar el ancho de banda y garantizar la entrega confiable de mensajes en entornos con conectividad limitada, lo que lo convierte en una opción ideal para diversas aplicaciones de telemetría.

Conceptos clave y arquitectura

MQTT se basa fundamentalmente en un modelo de mensajería de publicación/suscripción. Esta arquitectura está facilitada por un intermediario central que gestiona todas las transmisiones de mensajes. Los clientes, que pueden ser editores o suscriptores, se conectan al corredor. Los editores envían mensajes al corredor, etiquetándolos con un tema, y ​​los suscriptores reciben mensajes suscribiéndose a estos temas.

Corredor

El corredor es el corazón de la arquitectura MQTT. Es responsable de recibir todos los mensajes, filtrarlos, determinar quién está interesado y luego publicar esos mensajes para los clientes suscritos. Este desacoplamiento de editores y suscriptores permite que la red escale de manera eficiente a una gran cantidad de sistemas distribuidos.

Modelo de editor/suscriptor

El modelo editor/suscriptor elimina la necesidad de conexiones directas entre dispositivos, lo que mejora la escalabilidad y reduce la complejidad del sistema. Este modelo es particularmente efectivo en escenarios de IoT donde muchos dispositivos necesitan enviar datos a múltiples consumidores que pueden tener diferentes requisitos de datos.

Temas y estructura del mensaje

• Temas: en MQTT, los temas se utilizan para enviar mensajes de los editores a los suscriptores. El espacio de nombres del tema es jerárquico y se asemeja a la estructura de ruta de un sistema de archivos, lo que permite un filtrado de temas expresivo y flexible.
• Estructura del mensaje: los mensajes MQTT se componen de tres partes:
• Encabezado fijo: contiene metadatos esenciales sobre el mensaje, como el tipo de mensaje y el nivel de QoS.
• Variable de encabezado: opcional y específica del contexto, incluye elementos como el nombre del sujeto y el identificador del paquete.
• Carga útil: los datos reales que se envían, que pueden tener un tamaño de hasta 256 MB.

Características clave

• Calidad de servicio (QoS): MQTT ofrece tres niveles de QoS para satisfacer diferentes garantías de entrega:
• QoS 0 (la mayoría de las veces): entrega con el mejor esfuerzo sin confirmación.
• QoS 1 (al menos una vez): Garantiza que el mensaje se reciba al menos una vez.
• QoS 2 (Exactamente una vez): Garantiza la entrega del mensaje exactamente una vez.
• Última voluntad y testamento (LWT): esta característica es crucial para detectar y responder a las desconexiones de los clientes del corredor. Un cliente puede especificar un mensaje de testamento que el corredor enviará a las partes interesadas si se desconecta sin gracia.

Ventajas y casos de uso

La estructura liviana de paquetes de MQTT y su eficiente mecanismo de distribución lo hacen muy adecuado para entornos con ancho de banda de red limitado. Sus casos de uso son amplios y cubren:

• Aplicaciones de IoT donde los dispositivos envían periódicamente datos como temperatura o actualizaciones de estado.
• Implementaciones que requieren actualizaciones y alertas en tiempo real, como sistemas de seguridad y seguimiento de vehículos.

Escenarios ideales para usar MQTT

• Telemetría: recopilación de datos de dispositivos de campo, como en la agricultura, para monitorear la humedad del suelo.
• Automatización del hogar: controle luces, cerraduras y otros sistemas del hogar de forma remota.

Estudios de caso que destacan la implementación de MQTT

Industrias como la manufactura y la atención médica han aprovechado MQTT para mejorar la eficiencia operativa y la atención al paciente. Por ejemplo, MQTT se ha utilizado para monitorear equipos de fabricación para predecir las necesidades de mantenimiento y en entornos de atención médica para gestionar el seguimiento de activos de equipos médicos.

La desmitificación de OPC UA

Contexto histórico y desarrollo

OPC UA fue desarrollado por la Fundación OPC como sucesor de los estándares OPC originales (OLE for Process Control), que estaban vinculados a las plataformas del sistema operativo Windows y dependían de las tecnologías COM/DCOM de Microsoft. Al reconocer la necesidad de una arquitectura independiente de la plataforma, más segura y escalable, la Fundación OPC introdujo OPC UA en 2006. Este nuevo protocolo fue diseñado para admitir tipos de datos complejos y ofrecer un marco de comunicación seguro y confiable adecuado para las demandas de la automatización industrial.

Conceptos clave y arquitectura

OPC UA es más que un simple protocolo; es un marco integral para el intercambio de datos y el paradigma de comunicación de máquina a máquina en la automatización industrial. A diferencia de MQTT, que se centra principalmente en el transporte de datos, OPC UA también hace hincapié en el modelado de datos, que es crucial para representar la semántica y los metadatos de la información.

Modelo Servidor/Cliente

• Servidor: en OPC UA, el servidor proporciona datos a los clientes y ofrece interfaces para que los clientes interactúen con ellos. Maneja todos los aspectos de la gestión de datos, la seguridad y las comunicaciones.
• Cliente: el cliente consume los datos proporcionados por el servidor y también puede enviar comandos o escribir datos al servidor, de acuerdo con los permisos establecidos por el sistema.

Modelado de información en OPC UA

Una de las características destacadas de OPC UA son sus sólidas capacidades de modelado de información, que le permiten no solo transportar datos sino también describir lo que representan. Esto es esencial en aplicaciones industriales donde comprender el contexto de los datos es tan importante como los datos mismos.

• Nodos y referencias: En esencia, OPC UA representa datos como nodos, que pueden ser objetos, variables o métodos. Estos nodos están interconectados por referencias, que pueden representar relaciones jerárquicas o flujos de datos.
• Espacio de direcciones: OPC UA utiliza un espacio de direcciones estructurado que contiene nodos que representan todos los datos y servicios accesibles desde el servidor. Este enfoque permite a los clientes descubrir datos y funcionalidades de forma dinámica e interactuar con ellos de forma estandarizada.

Características clave

• Independencia de plataforma: a diferencia de sus predecesores, OPC UA es independiente de la plataforma y puede ejecutarse en cualquier sistema, desde microcontroladores integrados hasta servidores basados ​​en la nube.
• Mecanismos de seguridad integrados: OPC UA ofrece funciones de seguridad integrales, que incluyen cifrado, autenticación y control de usuario, lo que lo hace adecuado para aplicaciones industriales críticas.
• Cifrado y autenticación de datos: estas funciones garantizan que los datos no solo estén seguros durante la transmisión, sino también que las entidades que intercambian la información estén verificadas.

Ventajas y casos de uso

El modelado de información y las sofisticadas funciones de seguridad de OPC UA lo hacen ideal para tareas complejas de automatización industrial donde múltiples sistemas necesitan interactuar de manera fluida y segura.

• Industria 4.0 y fábricas inteligentes: OPC UA es crucial en el contexto de la Industria 4.0, donde facilita la interoperabilidad entre varios dispositivos y sistemas dentro de las fábricas inteligentes.
• Gestión de energía: OPC UA se utiliza en sistemas de gestión de energía para el monitoreo y control eficiente de sistemas eléctricos en todas las redes.

Ejemplos del mundo real de OPC UA en acción

Varios gigantes de la automatización industrial han adoptado OPC UA para mejorar la conectividad y la automatización en sus procesos. Por ejemplo, los principales fabricantes de automóviles utilizan OPC UA para la interoperabilidad de dispositivos y para optimizar sus líneas de producción, mejorando el intercambio de datos en tiempo real y la interoperabilidad del sistema.

MQTT frente a OPC UA

A continuación se muestra una comparación detallada de MQTT y OPC UA presentada en formato tabular, destacando sus características principales, ventajas y casos de uso típicos para facilitar una comprensión clara de cuándo y por qué se preferiría cada uno en diferentes entornos de IoT.

Tabla comparativa: MQTT vs OPC UA

Esta tabla resume los distintos aspectos y capacidades de MQTT y OPC UA, lo que ayuda a aclarar los escenarios en los que cada protocolo sobresale. MQTT generalmente se adapta mejor a entornos menos complejos, de gran volumen y con recursos limitados. Por el contrario, OPC UA está diseñado para aplicaciones industriales donde el modelado de datos detallado, la seguridad sólida y las comunicaciones confiables son de suma importancia.

Al elegir un protocolo, considere las demandas específicas de su aplicación, incluida la complejidad de los datos, el nivel requerido de seguridad, la estabilidad de la red y las necesidades de escalabilidad. Esta comparación debería servir como guía para tomar una decisión informada que se alinee con los requisitos técnicos y los objetivos de su implementación de IoT o IIoT.