Los sistemas embedded en el centro de la cuarta revolución industrial

Automática e Instrumentación
INFORME
Octubre 2014 / n.º 466
Los sistemas embedded en el centro
de la cuarta revolución industrial
La IoT (Internet of Things) y los CPS (Cyber-Physical Systems) son los pilares
teóricos de la cuarta revolución industrial (Industry 4.0). El nexo de unión
entre el mundo físico y el mundo digital es el mundo ciberfísico, estudiado
por investigadores como Joseph SIfakis (premio Turing de 2007), que advierte
de la necesidad de formalizar de forma consistente y completa este nuevo
campo emergente de conocimiento, o como Sabina Jeschke, que ha situado a
los sistemas embedded en el centro del binomio IoT/CPS. En este artículo se
describe un marco conceptual acorde al estado del arte actual, y se describen
estándares emergentes en cuanto a arquitectura de procesadores, como ARM,
o en cuanto al factor de forma, como la iniciativa SGET, en un contexto
prerevolucionario en el que el mundo industrial y los ciudadanos en forma de
comunidad Maker están más interconectados que nunca en la denominada
sociedad del conocimiento.
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E
l Annual Report de
2013 de Siemens
incorpora el discurso de la cuarta revolución industrial planteado
por la Academia de Ciencia e Ingeniería alemana
(Acatech) en el documento
Recomendations for implementing the strategic
initiative Industrie 4.0,
en el que se destaca la
importancia del knowhow sobre los sistemas
embedded y la ingeniería
de la automatización, y
en el que se asigna al software un rol de enlazador
n Fuente: Siemens Annual Report 2013.
omnipresente en todos los
pasos requeridos en el desarrollo de productos, su fabricación
primera vez que se podía disponer de
y su mantenimiento, puesto que el
energía mecánica controlada a partir
escenario que se dibuja se basa en los
de un combustible sólido, almacenadenominados sistemas ciberfísicos,
ble en régimen de larga duración y
en los que el software es ingrediente
transportable, más allá de la obtenible
protagonista.
directamente de fuentes naturales
como ríos, viento o tracción animal.
Las revoluciones industriales
Ello posibilitó la puesta en marcha
La primera revolución industrial se
de sistemas productivos en cualquier
basa en la máquina de vapor. Era la
región, algo que se realimentó a sí
mismo mediante el uso
de la propia máquina de
vapor como impulsora
de medios de transporte
como el ferrocarril o barcos de mercancías.
Desde el punto de vista de empoderamiento
ciudadano, su aportación
fue prácticamente nula,
puesto que se trataba de
un medio muy caro y al
alcance de un grupo privilegiado de ciudadanos que
dio lugar al nacimiento de
una burguesía industrial
a finales del siglo XVIII,
coincidiendo en el tiempo
con la Revolución Francesa.
La segunda revolución industrial
se basa en la electrificación. El
transporte mágico, instantáneo e
invisible de una energía que permitía
la disponibilidad a pequeña escala
de energía mecánica controlable
dio lugar a una generación de pequeños empresarios, comerciantes
y, por ende, de ciudadanos, que
podían disponer de maquinaria en
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sus pequeños talleres o de electrodomésticos en las propias viviendas.
Es la primera vez que se produce
un fenómeno de empoderamiento
ciudadano, dándose lugar a principios del siglo XX a un movimiento
conocido como DIY (Do It Yourself),
del cual hay constancia en revistas
de la época. Asimismo, emerge una
nueva generación de juegos, como el
mítico Meccano, creado en Liverpool
por Frank Hornby y que se expandió
por todo el mundo mediante licencias, una de las cuales permitió a
Novedades Poch SA fabricar años
más tarde en Barcelona una versión
compatible denominada Metaling. Se
produce un desfase de años entre la
aplicación industrial y el empoderamiento ciudadano. La máquina de
vapor se traslada a la generación
de energía eléctrica, situación que se
mantiene actualmente en centrales
térmicas y nucleares.
La tercera revolución industrial
se basa en el microprocesador y
representa el inicio de la era digital.
El AGC (Apolo Guidance Computer),
que empezó a desarrollarse en 1966
en el MIT para el control del módulo
lunar del cohete Apolo, es considerado el primer sistema embedded de
la historia.
En esta tercera revolución industrial se producen varios procesos de
empoderamiento ciudadano y en
cada caso cada vez a mayor velocidad. En primer lugar, se introduce
la informática personal y el PC,
dando lugar a la proliferación de las
denominadas nuevas tecnologías.
Posteriormente irrumpe Internet
con los buscadores y, más tarde,
con las redes sociales. Finalmente se
produce la eclosión de la fotografía,
audio y vídeo digital, la telefonía y
los dispositivos móviles.
En todos los procesos de empoderamiento descritos hasta ahora se
ha repetido el siguiente patrón: al
principio los precios son muy altos
y las prestaciones son escasas, pero
paulatinamente tiene lugar un proceso de diseminación entre el gran
público que va acompañado de una
disminución de los precios. Se configura, pues, la denominada sociedad
del conocimiento, inicialmente a
través de medios convencionales
INFORME
n GC: Primer sistema embedded.
como revistas (en los 80 y 90 los
kioskos estaban llenos de revistas de
informática tanto para profesionales
como para aficionados), y posteriormente potenciada por la red y el
movimiento Open Source, en la que
el DIY incorpora el software (cabe
citar aquí el mito del garaje de Apple),
dando lugar a una nueva generación
de emprendedores.
El boom del PC llevó consigo la
consolidación de la arquitectura de
procesadores Intel (x86), y con la
telefonía y los dispositivos móviles ha
emergido con fuerza la arquitectura
de procesadores ARM.
La denominada cuarta revolución
industrial (Industry 4.0), descrita en
el documento de Acatech, se funda-
n Fuente: The Connectivist.
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menta en dos pilares: el Internet de
las cosas y los sistemas ciberfísicos.
El report anual de Siemens de 2013
sitúa esta revolución en el tiempo
del mañana, pero investigadores
como Joseph Sifakis, premio Turing
2007, o Sabina Jeschke, de la RWTH
Aachen University, advierten de la
necesidad de construir un cuerpo de
conocimiento formal, consistente y
completo para dichos pilares. Para Sifakis, mañana puede ser el 2015.
Desde el punto de vista del empoderamiento del ciudadano se
produce el fenómeno inédito de que
el desfase del ciudadano respecto a
la industria puede ser mínimo en
muchos aspectos relacionados con la
innovación, debido a la socialización
del conocimiento, a la aparición de
soluciones de alto valor añadido con
licencias libres y nuevos mecanismos de financiación que permiten
desarrollar sofisticados productos
a precios asequibles. Un ejemplo
es el dispositivo de instrumentación embedded denominado Red
Pitaya, nacido como un proyecto de
crowdfunding en Kickstarter de la
mano de un ingeniero emprendedor de la Universidad de Ljubljana
(Eslovenia) y que ya está disponible
vía RS Components. El DIY y el
mundo del hobby han evolucionado
hacia el denominado movimiento
Maker, que incorpora hardware de
bajo coste (Arduino, Raspberry Pi,
etc. Ver AeI núm. 429: Sistemas
embedded de bajo coste) a los mecanismos físicos y a la informática.
Investigadores como Micah Lande,
63
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INFORME
n Fuente: Sabina Jeschke.
64
de la Universidad de Arizona, están
desarrollando una Maker Theory
sobre la correlación entre los jóvenes
makers, los futuros ingenieros y el
papel de los senior makers, que pueden actuar como motivadores o, por
el contrario, tener controversias con
limitaciones normativas, teniendo en
cuenta la apuesta de la Universidad
de Stanford de hacer converger
elementos de los estudios de ingeniería con aspectos del movimiento
Maker. Mitchel Resnick, investigador del MIT, ya advirtió de que los
fundamentos de los movimientos
constructivistas y construccionistas
del ámbito educativo comparten los
mismos fundamentos cognitivos que
el movimiento Maker.
El binomio IoT/CPS
La constatación de que el número
de dispositivos interconectados está
creciendo exponencialmente, y el
hecho de que a este ritmo prácticamente todo estará interconectado
es la idea central del Internet de las
cosas (Internet of Things o IoT).
Una de las compañías que más
está desarrollando el IoT es Cisco
Systems, que advirtió que en el año
2008 el número de cosas conectadas
superó al número de individuos de
la población mundial.
El IoT es un concepto basado en la
conectividad, centrado en la noción
de red y en los servicios, y que implica
a todo un abanico de “cosas”, desde
los dispositivos de campo, como
sensores, hasta las infraestructuras
del cloud computing.
Desde el punto de vista teórico y de cuerpo de conocimiento,
IBM introdujo el término SSME
(Service Science, Management and
Engineering) en la primera década
del 2000, planteando un nuevo y
multidisciplinar campo de conocimiento a desarrollar. A esta tarea se
han incorporado diversos centros de
investigación y universidades como
el MIT, UC Berkeley, la Universidad
de Helsinki o la UPC (grupo de
investigación GESSI), entre otras.
La iniciativa NESSI (Networked
European Software and Services
Initiative) recoge en su Manifiesto,
A vision for Horizon 2020 (www.
nessi-europe.eu), ideas de la SSME
en clave de estrategia europea. Las
arquitecturas orientadas a servicios,
denominadas SOA, son cada vez más
utilizadas en la industria, y en el terreno práctico se habla de servicios
REST o webservices, que consisten
en la estandarización de producción
y consumo de servicios por la red mediante el uso de protocolos estándar
como el HTTP y la representación de
datos mediante estándares abiertos
como JSON o XML.
Por su parte, los denominados
sistemas ciberfísicos (Cyber-Physical
Systems o CPS) son el resultado del
maridaje entre el mundo físico y el
mundo computacional. A pesar de
que esta definición es muy genérica
y carece de elementos formales,
algunas ideas empiezan a consolidarse. Según Sabina Jeschke, entre
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los mundos físico y digital (ciber) se
halla el mundo ciberfísico. Los mundos físico y ciberfísico interaccionan
entre ellos mediante dos mecanismos, cada uno en un sentido. Por
una parte está la simulación, que
consiste en trasladar objetos del
mundo físico a un mundo virtual
mediante modelos con el objeto de
poder experimentar con ellos. Por
otra parte está la automatización,
que consiste en controlar objetos
del mundo físico a través de objetos
de software.
El circuito Manufacturing processAutomation-Embedded SystemsThings-Service Oriented, eje central
del discurso de la Industria 4.0, está
perfectamente representado en el
diagrama de Jeschke.
Según puede observarse, los sistemas embedded son elemento central
de los sistemas ciberfísicos (CPS), y
todos los caminos entre los mundos
físico y digital pasan por al menos
uno de ellos.
Los sistemas embedded han sido
reconocidos como " crucial KETs"
(Key Enabling Technology) por los
expertos de la Unión Europea para
el periodo 2014-2020. Se encuadran
en el programa estratégico ECSEL,
que es el heredero de los programas
precedentes ARTEMIS y ENIAC de
sistemas embedded y nanotecnología
respectivamente, en cuyos documentos los términos multidisciplinario,
interdisciplinario y cross-disciplinario aparecen recurrentemente. La
multidisciplinariedad en entornos
exigentes no es una cuestión menor.
En la mecatrónica, término acuñado
en 1969 por el ingeniero de Yaskawa
Electric Tetsuro Mori, concurren las
ingenierías mecánica, informática y
electrónica, y Rainer Stetter advierte
que a las empresas que fabrican
maquinaria y que tienen sus raíces
en la mecánica en general no les
gusta el software (ver AeI núm.
426: El software no es un apéndice
de la mecatrónica). La cultura de los
CPS forzará la superación de estos
prejuicios por definición.
Desde el punto de vista normativo,
el discurso del IoT se ha incorporado al discurso de los comités de
estándares que representan dos
corrientes en el ámbito de la au-
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tomatización industrial. Por una
parte está el comité AENOR CTN
116 Sistemas Industriales Automatizados, correspondiente al ISO/TC
184 Automation Systems and Integration, y por otra la AENOR CTN
203 para Equipamiento Eléctrico
y Sistemas Automáticos para la Industria, que corresponde al IEC/TC
65 Industrial-process measurement,
control and automation. En la última
década, la interacción de ambos con
la AENOR CTN 71 Tecnología de la
Información, correspondiente al ISO/
IEC JTC 1 Information Technology,
se ha incrementado de forma continua debido al fenómeno identificado
por Rockwell Automation denominado convergence entre los mundos
del manufacturing e IT, y que afecta
no solo a aspectos tecnológicos como
protocolos de comunicaciones, sino
también a la problemática derivada
de equipos mixtos con profesionales
que provienen de comunidades con
mentalidades distintas. Los sistemas
embedded son el bloque constructivo
que está propiciando estas convergencias inevitables.
en cuyo caso los recursos necesarios
pueden ser elevados y los tiempos de
compilación, largos.
Los sistemas embedded pueden clasificase según numerosos criterios.
Aquí contemplaremos tres criterios
de clasificación: por nivel de escala,
según el modo de propiedad intelectual (ámbito muy complejo que
en este artículo simplificaremos en
libre o propietaria) y según el factor
de forma (form factor).
El profesor Raj Kamal, en su libro
Embedded Systems 2E, propone
una clasificación en tres niveles de
escala:
• Sistemas embedded de pequeña
escala.
• Sistemas embedded de escala
media.
• Sistemas embedded de escala
sofisticada.
Esta clasificación permite encuadrar el conjunto de los sistemas embedded teniendo en cuenta su gran
diversidad, que queda de manifiesto
por la variedad de comunidades de
práctica que se han creado a su
alrededor.
Los sistemas embedded
y su clasificación
La asociación INCOSE (International Council of Systems Engineering) define a un sistema como una
construcción o colección de distintos
elementos que juntos producen resultados no obtenibles por los elementos
en solitario. Por otra parte, en el
artículo publicado en AeI núm. 429
titulado Sistemas embedded se definía un sistema embedded como una
combinación de hardware y software
orientada a soportar un conjunto
finito y numerado de funciones bien
definidas, a menudo con capacidades
de proceso en tiempo real e integrado
en un sistema mayor.
Para su desarrollo, los fabricantes
suelen ofrecer starter kits, y para
cada tipo de procesador hay disponible un tool chain, que consiste en
todo el conjunto de herramientas
necesarias para desarrollar el software, incluyendo compilador, linker,
depurador, fuentes y librerías con
interfaces con el SO. El software
puede consistir en una aplicación o
en un sistema operativo completo,
Sistemas embedded
de pequeña escala
Se trata de sistemas basados en
un solo controlador, de 8 a 32 bits,
con un nivel bajo de complejidades
en cuanto a hardware y software.
Pueden ser alimentados por una
batería. Para el desarrollo del software embedded se suelen utilizar
entornos de edición y compilación
específicos para el microcontrolador
o procesador utilizado. Definiremos
microcontrolador como una unidad
que contiene un procesador, memoria, timers, un controlador de
interrupciones, entradas y salidas
con ADC (conversión analógico/
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digital) o PWM (pulsos con modulación de anchura) y otras funciones.
El lenguaje C está muy extendido
en este tipo de procesadores y los
programas deben ajustarse en espacio para poder caber en espacios
de memoria reducidos, y al mismo
tiempo suelen estar codificados de
manera que el consumo de energía
sea bajo al estar los programas ejecutándose continuamente.
Sistemas basados en microcontroladores PIC (Microchip) o los
derivados del 8051 como los Atmel
estarían en esta categoría de pequeña
escala. Se utilizan en los sistemas de
control de electrodomésticos como
lavadoras, neveras, hornos microondas o placas de inducción.
Sistemas embedded
de escala media
Son sistemas basados en uno o pocos
microcontroladores, de tipo DSP
(Digital Signal Processors) o RISC
(Reduced Instruction Set Computing). Los DSP son procesadores
que incorporan en silicio funciones
de cálculo matemático que pueden
ser complejas, en general orientadas
al proceso de señales. Por otra parte,
los procesadores RISC poseen un
reducido conjunto de instrucciones
que se ejecutan todas ellas en un
ciclo de reloj y tienen la característica
de optimizar el consumo de energía
y de utilizar estrategias avanzadas
de paralelización en la ejecución
del código. Los sistemas embedded
de escala media pueden utilizar
procesadores de propósito específico
como los ASSP (Application Specífic
Standard Processors) o IP cores
(núcleos de tipo Intellectual Property). Los ASSP son procesadores
con finalidades específicas, como
por ejemplo los interfaces a buses.
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n Dispositivo mbed Cortex M3 de NXP
(Philips).
INFORME
n Tarjeta CDA01-CU3 de teknoCEA basada
en DSP.
n Tarjetas RIO de National Instruments.
66
Los IP consisten en diseños que se
pueden implementar en bases de
silicio personalizables como las FPGA
(Field Programmable Gate Array),
que son matrices de celdas lógicas
cuya funcionalidad puede programarse in situ mediante lenguajes de
descripción de circuitos electrónicos
digitales como el VHDL. A nivel de
software, los sistemas embedded de
escala media se suelen programar
con lenguajes como C, C++ o Java,
utilizando entornos de desarrollo integrados con herramientas
de depuración y simulación para
afrontar complejidades de software
y de hardware. Pueden incorporar
pequeños RTOS (sistemas operativos
de tiempo real). Aplicaciones como
el proceso de voz (como VoIP), vídeo
o el proceso de señales eléctricas
para smart grids se han resuelto
con soluciones multinúcleo DSP y
ARM obteniendo lo mejor de ambos
mundos (procesadores KeyStone de
Texas Isntruments). Los denominados smart meters o smart transducers
(el término transducer incluye tanto
a sensores como actuadores), que
cada vez utilizan más elementos
como los MEMS (microelectromechanical systems), son un ejemplo
de aplicación de este tipo de sistemas
embedded de escala media. Amplían
a los de pequeña escala añadiéndoles
proceso de señal y comunicación a
un bus o a una red.
Este tipo de sistemas embedded
pueden llegar a utilizar arquitecturas
de 64 bits y mediante RTOS ajustados
pueden ofrecer excelentes ratios
de alta potencia y baja complejidad
para ofrecer total predictibilidad de
cara a sistemas de misión crítica. El
esquema multinúcleo está en auge
y permite la garantía de ejecutar
programas en tiempo real sin los denominados glitches que se producen
cuando el sistema no atiende a una
necesidad en un instante de tiempo
determinado. La comunicación entre
los programas que se ejecutan en
los diversos núcleos se realiza en
términos genéricos mediante un
mecanismo de interface que puede
ir desde la simple compartición de
direcciones de memoria a nivel de
hardware a un sofisticado protocolo o
dispositivo de intercomunicación.
Sistemas basados en la plataforma
abierta mbed para sistemas embedded
e IoT basado en ARM corresponderían a esta categoría de mediana
escala. En http://developer.mbed.
org/platforms se puede consultar
una base de datos de dispositivos
listos para usar de mbed. Asimismo, están disponibles todo tipo de
módulos hardware y software en
forma de librerías en lenguaje C para
comunicaciones como TCP/IP, CAN
Bus, RS 485, Modbus, USB, etc.
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ofertados por un amplio ecosistema
de empresas y equipos académicos,
como el ESAII de la UPC.
Otro ejemplo de esta categoría sería
la tarjeta de control CDA01-CU3 de
teknoCEA (www.teknocea.com), de
propósito general para aplicaciones
de electrónica de potencia (10 kVA)
con motores eléctricos trifásicos. Se
basa en el DSP F28M35 Concerto
de Texas Instruments.
Y otro ejemplo que estaría en esta
categoría serían los sistemas basados en las tarjetas RIO de National
Instruments, programables con el
entorno y lenguaje de programación
gráfico y modular LabVIEW. Se basan en un procesador de arquitectura
PowerPC y disponen de una FPGA
de Xilinx para implementar en silicio
la lógica diseñada.
Finalmente, el estándar AUTOSAR (AUTomotive Open System
ARchitecture, www.autosar.org)
para la infraestructura de software
embedded del automóvil, secundado
por numerosos fabricantes del sector,
se basa en el RTOS abierto OSEK. Se
utiliza regularmente CAN Bus entre
otros estándares y la programación
de realiza en lenguaje C. El análisis
de base está orientado a objetos y en
la documentación se utiliza SysML/
UML.
Sistemas embedded de escala
sofisticada
Los sistemas embedded sofisticados
incluyen elementos que son prácticamente los de un ordenador completo,
y en los últimos años ha habido una
proliferación de los mismos con procesadores basados en arquitectura
ARM utilizando sistemas operativos
como Linux, Android o Windows
Compact, en que los servicios de
comunicaciones, con drivers para
todo tipo dispositivos inalámbricos
o cableados, la disponibilidad de
todo tipo de protocolos como TCP/
IP, HTTP, Modbus, CAN bus, etc.
y entornos de ejecución estándar
para lenguajes como C, C++, Java
o Python, están disponibles de forma
común.
ARM es una corporación con sede
en Cambridge (UK) que no produce
componentes de silicio sino que
diseña y comercializa núcleos de
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Automática e Instrumentación
El desafío de la seguridad
U
n IGEP 3730 ARM Cortex A8 SBC autónoma, de ISEE.
procesadores denominados Cortex
en forma de elementos de propiedad
intelectual (IP), de modo que los
fabricantes de silicio los incorporan
en sus semiconductores. La lista de
licenciatarios (más de doscientos)
se puede consultar en www.arm.
com y en ella figuran prácticamente
todos los fabricantes de procesadores como Samsung, Texas Instruments, Broadcom, Atmel, Infineon
(Siemens), NXP (Philips), Freescale
(Motorola) y ST, entre otros. La
aparición de pequeñas tarjetas de
bajo coste con ARM/Linux como
Raspberry Pi, BeagleBone Black
(de TI) o IGEP (de ISEE), entre
muchas otras, ha popularizado el
uso de este tipo de sistemas en la
comunidad Maker.
El kernel de Linux es una pieza
de software de tremenda complejidad. Según el estudio realizado por
Amanda McPherson, la estimación
del coste de desarrollo acumulado
del kernel de Linux 2.6.25 utilizando
la metodología COCOMO sobre 6,7
millones de líneas de código sería
de unos 91.000 meses/hombre, que
en costes, dependiendo del precio/
hora que se aplique, en números
redondos sería de alrededor de 1.000
millones de euros. Esta proliferación
de sistemas embedded con Linux se
debe a dos fenómenos. A la irrupción
masiva de procesadores de arquitectura ARM debida al boom de la
telefonía móvil (actualmente se fabrican unos 20 mill de uds ARM/día
que se han añadido a la preexistente
base de sistemas compactos basados
en arquitectura Intel, iniciando una
gran batalla de arquitecturas entre
Intel y ARM, y al fenómeno open.
Tanto los sistemas profesionales
como los de los Makers que utilizan Linux se aprovechan por igual
no de los desafíos más importantes del escenario IoT/CPS que
se vislumbra es la cuestión de la seguridad, tal como se pone de
manifiesto en eventos como el congreso de EuroCACS 2014 organizado
por ISACA, una organización de ámbito mundial de Auditoría y seguridad informática. Los términos anglosajones safety & security definen
la seguridad en forma amplia. Nos referiremos al primer término como
seguridad funcional (functional safety) y al segundo como ciberseguridad
(ciber-security), siguiendo el esquema planteado por la entidad certificadora TÜV para sistemas embedded. La seguridad funcional se orienta
a la protección contra incidentes causados por un malfuncionamiento
de componentes o sistemas. Por otra parte, la ciberseguridad se orienta
a identificar, proteger (información), detectar, responder y recuperarse de ataques (según la definición de la NIST-National Institute od
Standards and Technology norteamericana). Según Silvia Mazzini, los
enfoques generales de safety y security son muy diversos. En safety se
supone que los operadores son bien intencionados, que los sistemas son
cerrados y que los tiempos de respuesta son garantizados por recursos
dedicados. Por el contrario, en security se supone que hay atacantes,
que los sistemas son abiertos y se interconectan y que las respuestas
vienen dadas por recursos compartidos. El estándar de referencia de
safety es la norma IEC 61508 de seguridad funcional y el de referencia
en security (industrial) es la IEC 62443 (también conocida como ISA
99). En safety se definen cuatro niveles de seguridad denominados
SIL (Safety Integrity Level) según la probabilidad de fallo en demanda.
El nivel mínimo SIL1 establece una probabilidad del orden 10^-2 y
el máximo SIL4 del orden de 10^-5. En security se definen cuatro
niveles de seguridad denominados SL (Security Level) en el que el SL1
se refiere a ataques casuales o accidentales y el SL4 se refiere a ataques
intencionados utilizando recursos altamente sofisticados. Hasta 2010
cada estándar había ido por su cuenta, hasta que una actualización de
la IEC 61508 reconoce los riesgos derivados de la ciberseguridad como
un riesgo potencial y hace referencia explícita a la IEC 62443 como
recomendación en este aspecto. En el pasado, proyectos de misión crítica como centrales nucleares o sistemas aeronáuticos habían forzado
la integración de ambos mundos en sus proyectos presionados por una
causa mayor, pero de ello no se había generado ninguna metodología
de tipo general. La privacidad, tan importante en la security, no lo es
tanto desde el punto de vista de safety, que prioriza la garantía a la no
manipulación. Investigadores como Curtis G. Northcutt del MIT proponen algoritmos de robustez que garantizan desde el punto de vista
teórico la detección inmediata de cualquier intento de manipulación
de información en sistemas ciberfísicos. En cuanto a la industria, la
TÜV Sud ofrece una certificación conjunta de safety & security para
sistemas embedded y diversos fabricantes de semiconductores y componentes para sistemas embedded están certificando productos según
la IEC 61508, como Texas Instruments.
de los 91.000 meses/hombre que
ha supuesto el kernel de Linux, la
mayor obra colaborativa y referencia
del movimiento Open de la humanidad. El kernel de Linux contiene
elementos de enorme complejidad
y el dominio del mismo a máxima
profundidad está al alcance de pocos.
Sin embargo, el movimiento Open
ha dado lugar a un ecosistema formidable de comunidades de expertos
en Linux de altísimo nivel de todas
partes del mundo que ofrecen servicios de consultoría y formación, pero
que al mismo tiempo participan en
el desarrollo del producto e impul-
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san la comunidad Open de Linux,
fomentando su uso y aplicaciones
tanto en el ámbito industrial como
educativo, como es el caso de freeelectrons.com, con sedes en Orange
y Toulouse, que tienen a disposición
de forma libre fantásticos materiales
en su página web.
En 2011, Intel disponía de la licencia de ARM pero declaraba que
no tenía intenciones de hacer uso
de ella, y en 2014 ha anunciado que
utilizará un chip basado en ARM
para un smartwatch.
La potencia de estos sistemas
permite sofisticadas aplicaciones
HMI (Human Machine Interface)
y aplicaciones tipo scada (como
openSCADA, libre y programado en
Java, o Ignition SCADA, propietario
y programado en Python).
Son ejemplos de sistemas sofisticados aquellos que funcionan con
un sistema operativo como Linux,
ya sea como SBC autónoma o como
COM más carrier.
También corresponden a esta categoría las tarjetas de los estándares
SMARC y Qseven, que se verán más
adelante.
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n IGEP COM Module DM3730 ARM Cortex A8 de ISEE con una carrier (www.isee.biz).
n Tarjetas SMARC de Kontron.
y a la emisión de calor. Los intentos
de Intel de entrar en la telefonía móvil o en el campo de los Makers con
la tarjeta Galileo están dando escasos
resultados en comparación con los
crecimientos que están consiguiendo
los productos basados en ARM.
En el ámbito del escritorio, Linux ya está disponible tanto en
Intel como en ARM de forma muy
amplia, de modo que la famosa
instrucción de Linux apt-get install
(propia de las distribuciones Debian
y Ubuntu) posibilita el acceso a un
sinfín de aplicaciones informáticas
desde entornos de desarrollo como
Más allá de los sistemas
embedded
La definición adoptada se contrapone
a la noción de ordenador de propósito
general. ARM es una arquitectura
que va de abajo a arriba en cuanto
a potencia, ya que proviene del
mundo embedded y, por
otra parte, Intel va de arriba hacia abajo, habiendo
creado un procesador de
bajo consumo denominado
Atom a partir de un background de procesadores
provenientes del mundo
del PC y de grandes servidores. Un campo de batalla
encarnizado es el de las
tabletas, en que Intel ha
desarrollado una versión
de Android para su arquitectura, pero en el que
ARM de momento es el
claro dominador al tener
un mejor comportamiento
en el consumo de energía
que afecta directamente a
n Pinout del conector SMARC (Fuente: Kontron).
la duración de las baterías
Eclipse, Mathematica, runtimes de
Java o Python, programas de ofimática como Libre Office, etc., tanto
desde ordenadores de escritorio,
servidores o portátiles como desde
sistemas embedded populares como
una Raspberry Pi, una BeagleBone
Black o una Olimex, o tarjetas más
profesionales como una IGEP (ARM),
o Advantech o una Adlink. Microsoft
dispone de una versión de Windows
para arquitecturas ARM denominada
RT, pero sus funcionalidades son
muy limitadas. La presión que está
ejerciendo la evolución de Android
sobre ARM hacia aplicaciones de escritorio es enorme y habrá
que ver si se cumple que
el sistema Windows 10
anunciado para el próximo año estará disponible
de forma completa tanto
para las arquitecturas Intel
como para las ARM de
forma completa. Si ello
sucede, la batalla puede
transformarse en una guerra total.
Clasificación según
el factor de forma
El factor de forma (Computer Form Factor) engloba
los aspectos relacionados
con el reemplazo físico
de los componentes. Ello
implica compatibilidad no
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solo dimensional, sino también en
cuanto a los conectores y a sus respectivas señales eléctricas e incluso
a los protocolos de comunicaciones.
En componentes de menor tamaño,
las piezas se sustituyen, y en los de
mayor tamaño se enracan. La relación de estándares de Computer
Form Factor es muy extensa y, en
particular, las que pueden considerarse propias de sistemas embedded
sigue siendo muy amplia (ver AeI
núm. 429 Sistemas Embedded).
Entre los numerosos estándares
se hallan el mítico PC/104 o el
COM Express. Sin embargo, desde
Europa está emergiendo la iniciativa SGET (Standarization Group
for Embedded Technologies, www.
sget.org), que propone el uso de dos
estándares para sistemas embedded:
SMARC (Smart Mobiliy ARChitecture), orientado a sistemas con
procesadores de arquitectura ARM,
y QSEVEN, orientado a sistemas
con procesadores de arquitectura
Intel.
Ambos estándares definen a sistemas tipo COM (Computer on Module), que consisten en SBC (Single
Board Computer) que puede tener
ciertos conectores pero que en general necesitan de una tarjeta de
expansión denominada carrier, que
es la que exponen los diferentes conectores que se quieran utilizar.
SMARC form factor
Define dos tamaños, el full size module (82 x 80 mm) y el short module
(82 x 50 mm).
SMARC utiliza el conector utilizado
por las tarjetas gráficas MXM 3.0 de
314 pins. Diversos fabricantes, como
Kontron, Advantech, QNV o Adlink
ofrecen este tipo de tarjetas.
QSEVEN form factor
Define un tamaño de 70 x 70 mm y
utiliza el conector utilizado por las
tarjetas gráficas MXM2 SMT de 230
pins. Diversos fabricantes, como Advantech, QNV o Adlink ofrecen este
tipo de tarjetas. El estándar incluye
las características que aparecen en
la tabla superior.
Los sistemas embedded de escala
sofisticada son propicios para el
desembarco de los desarrolladores
INFORME
de software provenientes del mundo
de los integradores de IT. No obstante, se pueden concebir sistemas
embedded compuestos formados
por la combinación de subsistemas
embedded de diversas escalas, coordinados entre sí por mecanismos
de interface, pudiéndose así evitar
interferencias de unos con otros.
El círculo virtuoso de la
simulación y la automatización
Los mecanismos de interacción entre
el mundo físico y ciberfísico son dos:
la simulación y la automatización.
Simulación y sistemas
ciberfísicos
La simulación lleva siendo utilizada
desde hace décadas en el ámbito de
la ingeniería (ver AeI, núm. 446:
Simulación multifísica en los sistemas CAD/CAE). En el ámbito de la
simulación de sistemas embedded,
desde los trabajos seminales de Hilding Elmqvist en los años setenta,
que desembocaron en el lenguaje
Modelica, la oferta de entornos de
simulación es amplia. Desde soluciones propietarias como Simulink
o Electronics Workbench (de National Instruments) hasta soluciones
abiertas como OpenModelica, Scilab,
KiCad for SPICE, entre otras, y cada
una con sus especificidades. Desde el
punto de vista de la estandarización,
lenguajes abiertos de modelización
como SysML pueden jugar un papel
crucial en un futuro para posibilitar
la interoperabilidad de modelos.
Merece especial atención la iniciativa 123D Circuits de Autodesk. Se
trata de un entorno de simulación
para sistemas ciberfísicos basados
Automática e Instrumentación
Características del estándar Qseven
4× PCI Express ×1 vía
2× SATA
8× USB 2.0
1× 1000BaseT Ethernet
1× SDIO 8-bit
LVDS 2× 24-bit
SDVO / HDMI / DisplayPort
(compartido)
HDA (High Definition Audio)
I²C Bus
LPC (Low Pin Count Bus)
CAN bus (Controller–area network)
SPI (Serial Peripheral Interface Bus)
en Arduino, utilizable online sin
instalación en http://123d.circuits.
io y de forma gratuita. El entorno
permite diseñar circuitos sobre un
realista protoboard, programar el
Arduino, compilar y simular la carga
del programa al target y simular su
ejecución, tanto a nivel eléctrico
(eliminando riesgos de dañar elementos reales) como a nivel lógico
(software programado). También
están disponibles las vistas tipo esquemático tradicional y la vista PCB
para el diseño y ulterior fabricación
de un circuito impreso. El catálogo
de componentes incluye elementos
pasivos, circuitos integrados, sensores y componentes electromecánicos
como motores, servos, etc.
Se observa una tendencia al auge
de este tipo de software de simulación orientado al soporte comercial
de componentes electrónicos. La idea
es tener de cada producto físico su
correspondiente objeto de simulación
n Tarjetas Qseven de Advantech: la SOM-3565, de arquitectura Intel, y la ROM-7420, de
arquitectura ARM.
69
Automática e Instrumentación
70
(objeto virtual o modelo), disponiendo así de un catálogo de productos
virtualizados al cual se puede acceder
desde el simulador e integrarlos en
nuestro modelo. El proceso termina
construyendo una lista de materiales
valorada que se puede convertir en
un pedido que se puede pagar desde
el propio simulador, una vez verificado el correcto funcionamiento
desde el punto de vista funcional y
físico (eléctrico, mecánico, dimensional, etc.). Se empiezan a hacer
realidad los postulados del documento seminal de la NSF (National
Science Foundation de los EEUU)
de 2006 titulado Simulation-Based
Engineering Science, que establece
las bases de procesos de creación y
desarrollo basados en modelos que
se contraponen a procesos basados
en documentos, tan asentados en la
ingeniería tradicional. Los avances
en la simulación multifísica que
vayan apareciendo, vengan de donde
vengan, están llamados a incorporarse al círculo virtuoso.
Automatización y sistemas
ciberfísicos
La automatización es definida como
el control de objetos físicos a través
de objetos de software. Este sentido
del flujo de lo virtual a lo real es la
última fase que cierra el círculo virtuoso de la 4ª revolución industrial.
La aplicación de este sentido del flujo
se está realizando en dos fases, desde
un punto de vista evolucionario. La
primera fase consiste en incorporar
sistemas embedded a objetos físicos ya
existentes para lograr su automatización (automatic override) y se basa
INFORME
en dos reglas simples: Todo medidor
debe ser accesible (modo lectura)
vía webservice y todo actuador debe
ser manipulable (modo escritura)
también vía webservice. La segunda fase consiste en incorporar de
forma nativa los sistemas embedded
a los nuevos objetos físicos desde
su concepción y diseño. La noción
de objeto es muy amplia y abarca
todo tipo de sensores, actuadores,
interruptores, motores, válvulas y
cosas en general.
Conclusiones y una reflexión
final
En este artículo se ha descrito un
marco conceptual para los sistemas embedded para el contexto del
Internet de las cosas y los sistemas
ciberfísicos (IoT/CPS). En las puertas
de la cuarta revolución industrial,
los sistemas embedded se sitúan en
el centro del tablero, en la casilla
de los CPS.
Por otra parte, en los documentos de la Unión Europea sobre el
programa estratégico para los sistemas embedded ECSEL, el carácter
transversal de las iniciativas que se
proponen son de forma reiterada de
carácter multidisciplinario o interdisciplinario, y todo ello en el familiar
contexto de continuas propuestas
desde la industria de nuevos estándares que prometen el paraíso de la
compatibilidad e interoperabilidad.
La clasificación de Raj Kamal es
sufientemente amplia y flexible para
albergar prácticamente todo tipo de
sistemas embedded. No obstante,
dentro de la comunidad genérica
de los sistemas embedded caben
Octubre 2014 / n.º 466
subcomunidades con muy poco en
común entre sí. Los precedentes del
fenómeno de la convergence definida
por Rockwell Automation, la histórica
separación de los mundos safety &
security, la problemática cultural
indicada por Rainer Stetter en la
mecatrónica o las controversias de
los senior Makers con limitaciones
normativas, son indicadores de la
dificultad de avanzar en equipos con
miembros provenientes de distintas
comunidades con modelos mentales
muy distintos. Todo ello, combinado
con la transversalidad que se prevé
que habrá en la adopción de los
sistemas embedded en todo tipo de
ámbitos, sugiere que van a hacer falta
muchas dosis de empatía, la cual figura en el catálogo de competencias de
inteligencia emocional de Goleman
y que se define como la capacidad
de compartir y entender estados
mentales o emociones de otros.
Permítame el lector proponer
una nueva competencia emocional denominada emulsividad, que
definiremos como la capacidad
de mantener estados de empatía
de forma sostenida en el tiempo.
El nombre proviene del término
emulsión, que se define como una
mezcla estable de elementos que por
naturaleza tienden a separarse. Un
ejemplo de emulsión que sirve de
metáfora para explicar la noción
de emulsividad es la obtención manual de allioli, del cual se realizan
numerosos concursos populares
en los que los participantes deben
mostrar habilidad técnica y empeño
sostenido en el tiempo para lograr
la ansiada emulsión. La emulsividad
es una competencia que se puede
aprender, entrenar y recomendar
para proyectos en los que sus miembros provienen de comunidades con
modelos mentales muy diversos,
incluso contradictorios. Los sistemas
embedded están en el centro de una
revolución de la que no se sabe si
será más tecnológica que social, o
viceversa.
Xavier Pi
Embedded Systems Working
Group Chair
coeic.com