Arquitectura_software_embebido_Mendoza_2018

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Arquitectura de Aplicaciones de Software Embebido en Micro Controladores para Tarjetas de 
Captura de Datos de la IOT. 
 
 
 
José Fernando Mendoza Ibarra , fmendoza06@gmail.com 
 
 
Tesis de Maestría presentada para optar al título de Magíster en Ingeniería de Software 
 
 
 
Asesor: Hugo Armando Ordoñez Eraso Doctor (PhD) en Ingeniería Telemática 
 
 
 
Universidad de San Buenaventura Colombia 
Facultad de Ingeniería 
Maestría en Ingeniería de Software 
Santiago de Cali, Colombia 
2018 
 
 
 
 
Citar/How to cite [1] 
Referencia/Reference 
 
Estilo/Style: 
IEEE (2014) 
[1] J. Mendoza, “Arquitectura de Aplicaciones de Software Embebido en Micro 
Controladores para Tarjetas de Captura de Datos de la IOT”, Tesis Maestría en 
Ingeniería de Software, Universidad de San Buenaventura Cali, Facultad de 
Ingeniería, 2018.. 
 
 
 
 
Bibliotecas Universidad de San Buenaventura 
 
 
 
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Dedicatoria 
 
A mi Madre Francia Elena Ibarra quien me formó, gran mujer formadora de grandes hombres, ser 
incansable y justo. A todos mis mentores, que por mi vida han pasado, por enseñarme que del 
fracaso se aprende y que en las dificultades salen las mejores cosas y se superan los grandes 
desafíos. JJGA. 
 
 
 
Agradecimientos 
 
Al Supremo por permitirme culminar mis estudios de Maestría al igual que poder aplicar la 
investigación a mi área de desarrollo en casos reales. 
Reconocer, el soporte y aporte académico en diferentes áreas del saber entregado por cada uno 
de los profesores que integran la investigación en el laboratorio de LIDIS de la Universidad 
de San Buenaventura Cali, en estudios de Maestría en Ingeniería del Software. 
Al director de este proyecto, el Ingeniero Hugo Armando Ordoñez, PhD, por sus aportes y 
grado de confianza generado al desarrollo del mismo. 
A los demás investigadores y colaboradores, que con su ayuda y compresión pusieron un 
granito de arena en la construcción de esta investigación, al igual a todas las personas que de 
una u otra forma brindaron su aporte desinteresado al desarrollo este proyecto. 
 
Deuda de gratitud para ellos. 
 
Gracias. 
 
 
 
 
 
 
TABLA DE CONTENIDO 
 
RESUMEN ....................................................................................................................................... 9 
I. INTRODUCCION ...................................................................................................................... 11 
II. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .................................................................................. 14 
III. JUSTIFICACIÓN ..................................................................................................................... 15 
IV. OBJETIVOS ............................................................................................................................ 16 
A. Objetivo general .................................................................................................................... 16 
B. Objetivos específicos ............................................................................................................. 16 
V. RESULTADOS OBTENIDOS ................................................................................................. 17 
VI. MARCO TEÓRICO ................................................................................................................. 19 
Trabajos Relacionados. .............................................................................................................. 19 
VII. ARQUITECTURA DE SOFTWARE .................................................................................... 22 
A. Importancia de la Arquitectura de Software . ........................................................................ 22 
B. Definición de Atributos de Calidad. ...................................................................................... 23 
C. Estilos de Arquitectura. ......................................................................................................... 23 
D. Frameworks y Vistas. ............................................................................................................ 24 
E. Internet de la Cosas. ............................................................................................................... 25 
F. Dispositivos Inteligentes. ....................................................................................................... 25 
G. Arquitectura de Software IOT. .............................................................................................. 26 
H. Nivel Arquitectural Propuesto. .............................................................................................. 29 
1. Arquitectura de Software. ................................................................................................... 29 
2. Micro-Controlador. ............................................................................................................. 29 
3. Caracterización de los MicroControladores. ....................................................................... 31 
4. Soluciones IOT. .................................................................................................................. 33 
I. Arquitectura de Software Propuesta. ...................................................................................... 33 
1. Atributos Arquitectónicos. .................................................................................................. 35 
2. Requisitos Funcionales. ...................................................................................................... 35 
3. Estilo Arquitectónico. ......................................................................................................... 36 
4. Patrones de Arquitectura vs Capas. .................................................................................... 36 
5. Vista General de la Arquitectura. ........................................................................................ 39 
6. Capa de Abstracción del Sistema (Hardware). ................................................................... 40 
7. Relación entre los componentes. ......................................................................................... 41 
8. Vista Lógica. ....................................................................................................................... 41 
9. Vista Física. ......................................................................................................................... 42 
VIII. APLICACIONES .................................................................................................................. 45 
Ejemplo Práctico ........................................................................................................................ 45 
A. Problema Propuesto en caso de estudio ............................................................................. 45 
B. Solución Planteada ............................................................................................................. 46 
Vista General ..............................................................................................................................46 
Arquitectura Detallada. .............................................................................................................. 47 
Vista Lógica. .............................................................................................................................. 48 
A. Capa Lógica. ...................................................................................................................... 48 
B. Capa de Hardware. ............................................................................................................. 50 
Vista de Procesamiento. ............................................................................................................. 51 
Vista Física. ................................................................................................................................ 53 
IX. EVALUACION ....................................................................................................................... 54 
Evaluación .................................................................................................................................. 54 
A. Evaluando la Arquitectura Propuesta. ................................................................................ 54 
B. Priorización de Atributos y Escenarios ATAM para validación ........................................ 55 
C. Escenarios de Evaluación. .................................................................................................. 57 
A. Resultados Obtenidos. ........................................................................................................ 61 
X. CONCLUSIONES ..................................................................................................................... 63 
Conclusiones y trabajos futuros ................................................................................................. 63 
REFERENCIAS ............................................................................................................................. 65 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
LISTA DE TABLAS 
 
 
Tabla I. Generacion De Nuevo Conocimiento Y Desarrollo Tecnologico .................................... 17 
Tabla II. Fortalecimiento De La Comunidad Cientifica ................................................................ 17 
Tabla III. Apropiacion Social Del Conocimiento Involucrado En El Desarrollo De La 
Investigacion .......................................................................................................................... 17 
Tabla IV. Frameworks De Arquitectura ......................................................................................... 24 
Tabla V. Caracterizacion De Los Microcontroladores ................................................................... 31 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
LISTA DE FIGURAS 
 
Figura 1. Harvard Microcontroller Architecture ............................................................................ 30 
Figura 2. Diagrama de Componentes de una tarjeta de la IoT. ..................................................... 31 
Figura 3. Arquitectura de Referencia en el diseño arquitectónico. ................................................ 34 
Figura 4. Capas y Componentes de la arquitectura propuesta. ..................................................... 37 
Figura 5. Vista Lógica de la Arquitectura Propuesta. .................................................................... 42 
Figura 6. Modelo Orientado a Servicios de un sistema embebido en la IOT. ............................... 43 
Figura 7.Vista Física de la Arquitectura de Referencia. ................................................................ 44 
Figura 8. Vista de la Arquitectura Concreta. .................................................................................. 47 
Figura 9. Vista de la Arquitectura detallada. .................................................................................. 48 
Figura 10. Vista Lógica de la Arquitectura detallada. .................................................................... 50 
Figura 11. Vista Lógica de la Arquitectura detallada (Hardware Layer). ...................................... 51 
Figura 12. Diagrama de Actividad UML para la interpretación de una petición de usuario o 
sistema externo. ...................................................................................................................... 52 
Figura 13. Vista Física de la Arquitectura detallada. ..................................................................... 53 
Figura 14. Priorización de Atributos y Escenarios de Validación. ................................................ 57 
Figura 15. Visualización del Comportamiento de la Variable Tempera en la Aplicación Móvil. . 59 
Figura 16. Visualización del Comportamiento de la Variable Temperatura vs Humedad vs 
Volumen. ................................................................................................................................ 61 
Figura 17. Montaje de los colectores de agua de niebla con dispositivo de captura. ..................... 61 
Figura 18. Agua Colectada Vs Hora del día por fibra. ................................................................... 62 
 
 
ARQUITECTURA DE APLICACICONES DE SOFTWARE EMBEBIDO EN MICROCONTROLADOR…. 9 
 
 
RESUMEN 
 
Esta investigación de tesis en maestría presenta una propuesta de modelo de arquitectura de 
software para el desarrollo de aplicaciones que se ejecutan en microcontroladores sobre tarjetas 
de captura de datos para la IOT, la arquitectura de software explica la estructura, funcionamiento 
e interacción de los diferentes componentes del software y no se centra en algoritmos ni 
estructuras de datos, muestra el diseño y especificación global del sistema. 
La propuesta muestra los componentes y subcomponentes de la arquitectura de software y plantea 
una alternativa de modelamiento arquitectónico para la escritura de aplicaciones, teniendo en 
cuenta los diferentes componentes de hardware tales como memoria, procesamiento entradas y 
salidas de datos, logrando un desarrollo de aplicaciones modulares y parametrizables. 
 
Palabras clave: Microcontroladores, Arquitectura de software, Internet de las cosas, IOT, Smart 
Cities 
 
 
 
ARQUITECTURA DE APLICACICONES DE SOFTWARE EMBEBIDO EN MICROCONTROLADOR…. 10 
 
 
ABSTRACT 
 
This Tesis presents an software architectural model for applications to be executed in Micro-
controllers running on capture data cards for Internet of Things (IoT). The proposed software 
architecture describes the structure, function and interaction of software components. 
Architecture it also describes the overall design and system specification and does not focus on 
algorithms and data structures. Thus, The present approach describes the components of the 
software architecture and proposes an architectural modeling which considers hardware 
components such as memory, processing input and output data. This architectural approach 
leverages the development of modular and configurable applications 
 
Keywords: Microcontrollers, Software Architecture, Internet od Things, IOT, Smart Cities 
 
 
 
 
 
ARQUITECTURA DE APLICACICONES DE SOFTWARE EMBEBIDO EN MICROCONTROLADOR…. 11 
 
 
I. INTRODUCCION 
 
En la actualidad se tiene la necesidad [1] de capturar variables análogas y digitales en tiempo real 
[2], las cuales deben estar siendo tomadas y vigiladas continuamente en sitios cercanos ó 
distantes del lugar de donde son capturadas. Para ello existen soluciones electrónicas que 
permiten realizar esta actividad, soluciones que requieren de componentes de captura (sensores), 
procesamiento (micro-controladores) de datos, los cuales trabajan con software embebido. 
La captura de datos en tiempo real y el creciente desarrollo de la Internet en muchosde los 
ámbitos de la vida cotidiana, ha contribuido a acercar la tecnología a las personas y a las 
empresas. Este acercamiento permite una mayor interacción entre los diferentes entes que 
conforman la gran red mundial [3][4]. Todo este desarrollo ha llevado a que cada vez más 
dispositivos estén interconectados a esta red, dando así, nacimiento a la internet de las Cosas (IoT 
– Internet of Things, en inglés) [5]. Este término hizo referencia a que en algún momento las 
cosas estarían comunicadas y trabajando en conjunto con las personas. 
Con base en lo anterior, es notable en la actualidad el uso masivo de dispositivos electrónicos 
como el Smartphone o aparatos de uso doméstico como televisores, aires acondicionados, 
puertas, entre otros, que pueden estar conectados a la gran red mundial, aportando servicios de 
publicación y consulta de información, de esta misma forma todos los dispositivos (Cosas) 
conectados a Internet poden ser vigilados y analizados desde cualquier parte del planeta solo con 
una conexión a Internet [6]. Los dispositivos electrónicos “inteligentes” que conforman el IoT 
varían ampliamente en su uso, y son soportados por micro-controladores encargados de procesar 
la información que se comparte en entre estos dispositivos [7][8][9][10]. 
El desarrollo de aplicaciones software, hace parte de un sin número de aportes tecnológicos que 
ayudan a la evolución de las nuevas tecnologías en todos los ámbitos en los cuales se requiera el 
procesamiento de datos y, el electrónico no se escapa al ámbito de aplicación del desarrollo de 
software. 
Existe software que se ejecutan en grandes máquinas desde los main frames, hasta las super 
computadoras que hoy procesan grandes cantidades de datos; pero también podemos decir que 
existen pequeñas maquinas (hardware electrónico, basado en micro-controladores) capaces de 
procesar datos y que resultan ser muy útiles a la hora de capturar, procesar y enviar información a 
ARQUITECTURA DE APLICACICONES DE SOFTWARE EMBEBIDO EN MICROCONTROLADOR…. 12 
 
 
sitios distintos al de su captura. 
Los micro-controladores han existido desde mucho tiempo atrás y han sido utilizados en tareas 
tanto específicas como generales, el desarrollo de los mismos ha dado origen a grandes 
soluciones hardware las cuales han originado desarrollos tecnológicos que han aportado de la 
misma manera al crecimiento y evolución tanto de la ciencia como de la tecnología. 
El micro-controlador, en un ámbito general, es el elemento hardware capaz de realizar todos las 
operaciones aritmético-lógicas que permiten capturar, procesar y entregar los resultados para los 
cuales son programados, en ese sentido, es donde aparece el desarrollo de software como 
complemento para poder tener una solución integra, robusta, eficiente y capaz de resolver un 
problema en particular. Es entonces donde entra a ser parte fundamental el modelado 
arquitectónico de las aplicaciones que se ejecutan en los micro-controladores. Ahora bien, poder 
encontrar una arquitectura para desarrollo de software embebido en micro-controladores que sea 
una referencia, y que permita al equipo de desarrolladores centrarse en la implementación de la 
misma y de la lógica de negocio, no ha sido una tarea fácil, la literatura se enfoca en tratar 
aspectos de patrones y ligeras iniciativas sin entrar en detalle de una arquitectura como tal. 
En la actualidad, la mayoría de las soluciones IoT se enfocan en campos específicos y utilizan 
dispositivos y tecnologías particulares [3]. Esta situación redunda en soluciones con arquitecturas 
específicas del dominio con poca capacidad de integrarse o replicarse [10]. En este orden de 
ideas, en la práctica ha sido difícil unificar una arquitectura de software para la construcción de 
sistemas embebidos para IoT [3][11][12][13]. 
En ese contexto, la propuesta está direccionada a definir una arquitectura para aplicaciones 
embebidas que permita la interacción entre el software que se ejecuta en el micro-controlador y el 
resto de componentes hardware que cohabita en las tarjetas electrónicas de captura de datos, 
teniendo en cuenta que algunas de estas tarjeta son de propósito general y otras de propósito 
específico. 
La arquitectura propuesta va más allá del ámbito de la tarjeta del sistema y propone un 
modelamiento genérico de la solución software completa que se ejecuta en el micro-controlador. 
Igualmente incluye las diferentes capas de software de la aplicación a desarrollar. La arquitectura 
busca servir de marco para el desarrollo de soluciones software escalables y mantenibles que se 
ejecuten en micro-controladores en tarjetas para la captura de datos de soluciones para IoT. 
ARQUITECTURA DE APLICACICONES DE SOFTWARE EMBEBIDO EN MICROCONTROLADOR…. 13 
 
 
El enfoque arquitectónico propuesto está dado para soluciones software que se ejecuten en micro-
controladores en tarjetas para la captura de datos orientadas a soluciones para internet de las 
cosas. 
 
ARQUITECTURA DE APLICACICONES DE SOFTWARE EMBEBIDO EN MICROCONTROLADOR…. 14 
 
 
II. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 
 
En la actualidad, se desarrollan soluciones para problemas específicos para la Internet de la cosas 
(Internet of the things ó IOT [5]), con dispositivos particulares o una tecnología en particular [3], 
lo cual termina en aplicaciones específicas con arquitecturas de software específicas con poco 
lugar para interactuar con otros sistemas [11]. En ese ámbito se detecta esta problemática en 
varios trabajos [3],[14],[15],[12], no se han identificado arquitecturas de software prácticas y 
concretas para la construcción de sistemas embebidos que puedan ser integrados al ecosistema 
del Internet de las Cosas [16]. En [17],[18], se propone un modelo arquitectónico de referencia, 
desde dispositivos físicos hasta el consumo y análisis de datos en las capas superiores 
(aplicación), es decir en las aplicaciones que usaran los datos, modelo mediante el cual a través 
de algunos requerimientos se puede obtener una arquitectura concreta. Sin embargo, si bien los 
autores identifican a los dispositivos como sistemas embebidos que interactúan entre el mundo 
digital y el físico, conectando entidades físicas del mundo real a internet, el modelo no contempla 
ni define qué arquitectura o qué componentes debe tener el software de un sistema embebido para 
que pueda formar parte de un ecosistema del Internet de las Cosas [11]. 
 
 
ARQUITECTURA DE APLICACICONES DE SOFTWARE EMBEBIDO EN MICROCONTROLADOR…. 15 
 
 
III. JUSTIFICACIÓN 
 
A pesar de la existencia de distintas arquitecturas de alto nivel como las presentadas en [12],[3], 
[17] ó [11], ninguna abarca específicamente una arquitectura para que se adapte al paradigma de 
la IOT, haciendo que quienes desarrollen soluciones software para micro-controladores que 
ejecutan software en tarjeta para la IOT , tengan que definir su propia arquitectura para un 
problema en particular, sin tener un esquema de referencia en el cual basarse o poder reutilizar. 
 
El desarrollo de esta tesis en Maestría “Arquitectura de Aplicaciones de Software Embebido en 
Micro Controladores para Tarjetas de Captura de Datos de la IOT”, presenta una propuesta de un 
modelo arquitectónico validado que permite desarrollar soluciones software que se ejecuten en 
micro-controladores, con una estructurada definida y generalizada, capaz de satisfacer los 
requisitos funcionales y de calidad, y que al mismo tiempo permite tener soluciones de software 
robustas que hagan parte del ecosistema de la IOT. 
 
ARQUITECTURA DE APLICACICONES DE SOFTWARE EMBEBIDO EN MICROCONTROLADOR…. 16 
 
 
IV. OBJETIVOS 
 
A. Objetivo general 
Diseñar una arquitectura de software para sistemas embebidos que se ejecuten en Micro-
Controladores para tarjetas de captura de datos de la IOT. 
 
B. Objetivos específicos 
 
1. Definir los componentes arquitectónicos quesoportarán la arquitectura. 
 
2. Diseñar una arquitectura de software que satisfaga los requisitos funcionales de un 
producto software embebido 
 
 
3. Evaluar la arquitectura a través de un estudio de caso, aplicado en el desarrollo de 
software embebido para tarjetas de captura de datos agro-climáticos. 
 
 
ARQUITECTURA DE APLICACICONES DE SOFTWARE EMBEBIDO EN MICROCONTROLADOR…. 17 
 
 
V. RESULTADOS OBTENIDOS 
 
A continuación se describe los resultados obtenidos en esta investigación con relación a: 
 Tabla 1. Generación de nuevos conocimientos y desarrollos tecnológicos. 
 Tabla 2. Fortalecimiento de la comunidad científica nacional. 
 Tabla 3. Apropiación social del conocimiento involucrado en el desarrollo de la 
investigación. 
En cada uno de los tipos de resultados obtenidos se definen los resultados, el indicador o los 
beneficiarios de los mismos. 
TABLA I. GENERACION DE NUEVO CONOCIMIENTO Y DESARROLLO TECNOLOGICO 
Resultados Indicador 
Una Arquitectura propuesta para 
desarrollo de software embebido 
en microcontroladores de tarjetas 
para internet de las cosas. 
Documento de tesis de maestría, trabajos en 
eventos nacionales e internacionales y revistas. 
 
TABLA II. FORTALECIMIENTO DE LA COMUNIDAD CIENTIFICA 
Resultados Beneficiarios 
Formación de talento humano a 
nivel Tecnológico – Especialización 
Sena. 
40 aprendices del Centro de Electricidad y 
Automatización Industrial Diplomado de 
desarrollo Móvil con integración de 
dispositivos electrónicos para la IOT del 
Sena Regional Valle. 
 
TABLA III. APROPIACION SOCIAL DEL CONOCIMIENTO INVOLUCRADO EN EL DESARROLLO 
DE LA INVESTIGACION 
Resultados Indicador 
Dos artículos en eventos y 
publicaciones internacionales en 
temáticas directamente relacionadas 
 
1. J. Mendoza, H. Ordoñez, A. Ordoñez. 
“Architecture for embedded software in 
ARQUITECTURA DE APLICACICONES DE SOFTWARE EMBEBIDO EN MICROCONTROLADOR…. 18 
 
 
con el proyecto de investigación. microcontrollers for Internet of Things 
(IoT) in fog water collection”. 8th 
International Conference on Ambient 
Systems, Networks and Technologies, 
ANT-2017 and the 7th International 
Conference on Sustainable Energy 
Information Technology, SEIT 2017, 16-
19 May 2017, Madeira, Portugal. Artículo 
publicado en Procedia Computer Science 
109C (2017) 1092–1097 
www.elsevier.com/locate/procedia ó 
https://www.sciencedirect.com/science/art
icle/pii/S1877050917310700. 
 
2. J. F. Mendoza, H. Ordóñez, A. Ordóñez, 
R. P. C. do Nascimento. “Software 
Architecture for IoT Microcontrollers 
with Emphasis on Agroclimatics Data 
Capture”. IEEE Latinoamerica, 2017 
 
 
 
 
 
 
 
 
http://www.elsevier.com/locate/procedia
ARQUITECTURA DE APLICACICONES DE SOFTWARE EMBEBIDO EN MICROCONTROLADOR…. 19 
 
 
VI. MARCO TEÓRICO 
 
Trabajos Relacionados. 
 
La arquitectura de software es una disciplina estudiada por la Ingeniería de software, la cual tiene 
variados exponentes y tendencias dependiendo del objeto de aplicabilidad, algunos delos 
referentes importantes en estos temas son Booch, Martin, Jacobson, Rumbaugh, Larman [19][20], 
quienes hacen sus primeras apreciaciones en términos de arquitectura refiriéndose a patrones de 
diseño en UML y orientados a objetos. Buschmann y Sommerlad comenzaron a hablar de 
patrones de diseño orientados a la arquitectura de software [20], ilustrando una serie de patrones 
que en su interior, muestran los componentes del software y sus relaciones para cumplir con los 
requisitos. 
 
Bazz, Clements y Kazman [19] presentan un enfoque basado en las decisiones de tipo técnico que 
son influenciadas por factores como: Stakeholders, la organización, la experiencia del arquitecto, 
el ambiente técnico, entre otros. El énfasis de estos autores está en que la arquitectura debe estar 
enfocada en casos de estudio y no en generalidades. Trata también lo referente a la importancia 
de la arquitectura de software y los beneficios de la misma para el equipo de desarrollo, el 
crecimiento del producto, la mantenibilidad del software y la trasferencia de conocimiento. Estos 
autores no dejan de lado el uso de patrones para solucionar los problemas planteados por los 
requisitos. 
 
En [21] y [22] Garlan y Shaw exponen distintos estilos arquitectónicos que podrían adaptarse 
dependiendo del tamaño del software. Estas propuestas hablan de los Frameworks como 
elemento fundamental en la construcción de software y de la importancia de considerar estos 
frameworks a la hora de optar por una arquitectura de software. Este grupo de trabajos enfatiza 
que la arquitectura de software está compuesta por componentes, sus relaciones y las 
restricciones que imponen los requisitos funcionales y no funcionales. 
 
ARQUITECTURA DE APLICACICONES DE SOFTWARE EMBEBIDO EN MICROCONTROLADOR…. 20 
 
 
En este sentido, existen algunas iniciativas de arquitecturas para sistemas embebidos, en [23] se 
destaca que en el dominio de sistemas embebidos se podrían implementar los patrones de diseño 
arquitectónicos expuestos por autores antes mencionados y en qué tipo de soluciones se usarían. 
Sin embargo, esta propuesta no presenta una arquitectura de software para sistemas embebidos, 
sino que se concentra en el uso de patrones para el desarrollo de software. 
 
En [24] es expuesta la importancia de la arquitectura de software en los sistemas embebidos y 
trata temas importantes como son la confiabilidad y la eficiencia de estos sistemas para que sean 
exitosos. De otro lado, le da importancia al papel que juegan las restricciones técnicas de los 
dispositivos al momento de proponer alguna arquitectura. Esta propuesta se apoya en UML para 
explicar los patrones y expone ejemplos de patrones en una arquitectura. Sin embargo, esta 
propuesta no tiene una postura definida frente a una arquitectura como tal. 
 
En [25] se plantea una arquitectura MVC (Modelo-Vista-Controlador), que puede ser 
implementada en sistemas embebidos haciendo énfasis en un dispositivo Lector RFID, el cual se 
ejecuta en la plataforma OpenMoko. Esta propuesta describe una breve ilustración del 
funcionamiento del Software, dejando de lado modelo arquitectónico. 
 
La propuesta presentada en [26] se limita a describir situaciones presentadas en sistemas de 
control con sistema embebidos y sus soluciones, aborda distintos problemas y plantea soluciones, 
a través de patrones de diseño, tales como patrones orientados a mensajes (publicador/suscriptor), 
proxy, blackboard, no se centra en describir ninguna arquitectura, pero si trata en detalle los 
patrones para este tipo de sistemas. 
 
En [27] se describe una arquitectura de software para un sistema embebido de BroadCasting 
(audio e imágenes), muestra ligeramente el detalle algunas capas arquitectónicas (interface de 
usuario, capa de control de procesos del sistema, capa de gestión recursos del sistema). El 
planteamiento de la arquitectura se basa en el documento de Garlan y Shaw[22]. A pesar de su 
intención de hablar en temas de arquitectura de software, la descripción de la arquitectura y sus 
componentes es demasiado general. 
ARQUITECTURA DE APLICACICONES DE SOFTWARE EMBEBIDO EN MICROCONTROLADOR…. 21 
 
 
Los trabajos antes mencionados se centran en tratar las arquitecturas de software para la IoT 
desde una perspectiva general y de alto nivel, describiendo la interactúan entre diversos 
componentes, como son hardware, software, comunicaciones, protocolos, estándares. Las 
propuestas existentes se enfocan en el uso de la Web como un factor determinante para estas 
arquitecturas, dejando de lado la arquitectura que se ejecuta dentro de los micro-controladores de 
las tarjetas electrónicas para la IoT tal como se describe en [15],[14],[17],[3] y [28]. Sin embargo 
en otros casos [26],[29],[23] y [30] los autores se centran en la utilización de patrones de diseño, 
en el ámbito de la ingenieríade software, que dan solución a un problema de la realidad usando 
sistemas embebidos. 
 
 
ARQUITECTURA DE APLICACICONES DE SOFTWARE EMBEBIDO EN MICROCONTROLADOR…. 22 
 
 
VII. ARQUITECTURA DE SOFTWARE 
 
Es conveniente definir el concepto Arquitectura de Software debido a que hoy en día el término 
de arquitectura se usa para referirse a varios aspectos relacionados con las tecnologías de la 
información. De acuerdo al Software Engineering Institute (SEI), la Arquitectura de Software se 
refiere a “las estructuras de un sistema, compuestas de elementos con propiedades visibles de 
forma externa y las relaciones que existen entre ellos [31]. 
 
Una definición reconocida es la de Clements [32]: Es una vista del sistema que incluye los 
componentes principales del mismo, la conducta de esos componentes según se la percibe desde 
el resto del sistema y las formas en que los componentes interactúan y se coordinan para alcanzar 
la misión del sistema. 
 
David Garlan [33] establece que la arquitectura de Software constituye un puente entre el 
requerimiento y el código, ocupando el lugar que en los gráficos antiguos se reservaba para el 
diseño. La definición “oficial” de arquitectura de software se ha acordado que sea la que brinda el 
documento de IEEE Std 1471-2000, adoptada también por Microsoft, que dice así: 
 
La Arquitectura de Software es la organización fundamental de un sistema embebido en sus 
componentes, las relaciones entre ellos y el ambiente y los principios que orientan su diseño y 
evolución. 
 
A. Importancia de la Arquitectura de Software . 
El concepto de arquitectura de software (AS) se refiere a la estructuración del sistema que se crea 
en etapas tempranas del desarrollo. Esta estructuración representa un diseño de alto nivel del 
sistema que tiene dos propósitos primarios: satisfacer los atributos de calidad (desempeño, 
seguridad, modificabilidad) [19], y servir como guía en el desarrollo. El no crear este diseño 
desde etapas tempranas del desarrollo puede limitar severamente el que el producto final satisfaga 
las necesidades de los clientes. Además, el costo de las correcciones relacionadas con problemas 
en la arquitectura es muy elevado. Es así, que la arquitectura de software juega un papel 
ARQUITECTURA DE APLICACICONES DE SOFTWARE EMBEBIDO EN MICROCONTROLADOR…. 23 
 
 
fundamental dentro del desarrollo. Para lograr esto, es de vital importancia poder contar con un 
lenguaje de descripción de arquitectura (ADL) que permite modelar una arquitectura mucho antes 
que se lleve a cabo la programación de las aplicaciones que la componen, analizar su adecuación, 
determinar sus puntos críticos y eventualmente simular su comportamiento. 
 
B. Definición de Atributos de Calidad. 
Los atributos de calidad son la base para la selección de los estilos arquitectónicos, y por 
consiguiente también la de una AS exitosa, por eso cuando se inicia con la creación de una AS se 
debe realizar un estudio y análisis profundo que permita definir las calidades sistémicas que 
necesita la arquitectura [34]. 
 
C. Estilos de Arquitectura. 
¿Cuántos y cuáles son los estilos?. En un estudio comparativo de los estilos, Mary Shaw [35] 
considera los siguientes, mezclando referencias a las mismas entidades a veces en términos de 
“arquitecturas”, otras invocando “modelos de diseño”: Arquitecturas orientadas a objeto, 
Arquitecturas basadas en estados, Arquitecturas de flujo de datos: Arquitecturas de control de 
realimentación, Arquitecturas de tiempo real, Modelo de diseño de descomposición funcional, 
Modelo de diseño orientado por eventos, Modelo de diseño de control de procesos, Modelo de 
diseño de tabla de decisión, Modelo de diseño de estructura de datos. 
 
El mismo año, Mary Shaw, junto con David Garlan [22], propone una taxonomía diferente, en la 
que se entremezclan lo que antes llamaba “arquitecturas” con los “modelos de diseño”: Tubería-
filtros, Organización de abstracción de datos y orientación a objetos, Invocación implícita, basada 
en eventos, Sistemas en capas, Repositorios, Intérpretes orientados por tablas, Procesos 
distribuidos, ya sea en función de la topología (anillo, estrella) o de los protocolos entre procesos 
(p. ej. algoritmo de pulsación o heartbeat). Una forma particular de proceso distribuido es, por 
ejemplo, la arquitectura cliente-servidor. Entre otros el autor nombra: Organizaciones programa 
principal / subrutina, Arquitecturas de software específicas de dominio, Sistemas de transición de 
estado, Sistemas de procesos de control. 
 
ARQUITECTURA DE APLICACICONES DE SOFTWARE EMBEBIDO EN MICROCONTROLADOR…. 24 
 
 
D. Frameworks y Vistas. 
La mayoría de los frameworks y estrategias reconoce entre tres y seis vistas, que son las que se 
incluyen en el cuadro. Una vista es, para definirla sucintamente, un subconjunto resultante de 
practicar una selección o abstracción sobre una realidad, desde un punto de vista determinado 
[36][37][38]. 
TABLA IV. FRAMEWORKS DE ARQUITECTURA 
Zachman TOGAF 4+1[34] Booch,Rumbaugh[31] POSA Microsoft 
Niveles (Arquitecturas) (Vistas) Vistas (Vistas) (Vistas) 
Scope Negocio Lógica Diseño Lógica Lógica 
Empresa Datos Proceso Proceso Proceso Conceptual 
Sistema Lógico Aplicación Física Implementación Física 
Física 
Tecnología 
Tecnología 
Desarrollo Despliegue 
Desarrollo Representación Casos de 
Uso 
Casos de Uso 
Funcionamiento 
 
 
En [29] se proporciona una sistematización de clases de estilo en cinco grupos, que para utilizar 
la arquitectura de software se sigue un conjunto de patrones arquitectónicos, entre los cuales 
podemos encontrar: 
 
• Cliente-Servidor 
• Blackboard. 
• Sistemas en capas. 
• Intérprete. 
• Orientado a servicios. 
 
Un patrón arquitectónico que se adapta con mayor robustez a los sistemas embebidos para IOT es 
el Modelo de capas, este patrón permite mayor flexibilidad dado el caso que se le quieran 
adicionar componentes en una misma capa o varias capas, sin tener que modificar las 
componentes existente. Este es un beneficio importante porque a pesar que es de muy bajo 
acoplamiento entre capas y componentes, permite que la arquitectura se pueda utilizar con 
independencia del micro-controlador que se esté utilizando, y adicionalmente la permite que el 
software sea mantenibilidad. 
 
 
ARQUITECTURA DE APLICACICONES DE SOFTWARE EMBEBIDO EN MICROCONTROLADOR…. 25 
 
 
E. Internet de la Cosas. 
 
El término Internet de las Cosas (Internet of Things o IOT) se refiere a una evolución de lo que 
hoy se conoce como Internet para convertirla en una red interconectada de objetos que no solo 
recolectan información del ambiente e interactúa con el mundo físico, sino que usa estándares de 
Internet para proveer servicios de información[17]. Esto implica, además de tener determinada 
infraestructura, servicios y demás, la construcción de estos objetos inteligentes en sistemas 
embebidos de forma tal que tengan la conectividad necesaria para construir un ecosistema en 
donde todos los artefactos (tanto hardware como software) estén interconectados[13]. 
 
IOT se refiere también a la conexión de estos dispositivos a Internet de manera que puedan 
conectarse con otros objetos, comunicarse e interactuar de la misma forma que las personas lo 
hacen hoy a través de la Web [13]. De hecho, la principal fortaleza del concepto de IOT es el 
impacto que tendrá en los aspectos de la vida cotidiana en los potenciales usuarios [3]. Algunas 
aplicaciones de IOT son: transporte y logística [3], cuidado de la salud [3], [12], ambientes 
inteligentes [3], [12]. 
 
La IoT ha traído consigo entre otras cosas el uso integrado de las tecnologías de la información y 
las comunicaciones, el desarrollo y acuerdos sobre estandarización, y un nuevo modo de ver a 
toda la sociedad interactuando con una infraestructura de comunicaciones Persona-Máquina o 
Máquina a Máquina (M2M) que proporcionaráuna nueva generación de servicios en una Internet 
del Futuro con la interconexión de dispositivos de detección inalámbricos en Redes de Sensores 
Inalámbricas (WSN Wireless Sensor Network) basadas en IP [28]. 
 
F. Dispositivos Inteligentes. 
Son computadores de bajos recursos y autónomos que realizan el mismo trabajo infinitamente y 
están dotadas de un micro-controlador y dispositivos de entrada y salida. En este contexto, surge 
el concepto de dispositivo inteligente que trata de un sistema embebido que puede entender y 
reaccionar a lo que está ocurriendo en su alrededor [39] y que no solo se interesa por la 
interacción con el usuario sino también de la interacción con otros dispositivos inteligentes o 
ARQUITECTURA DE APLICACICONES DE SOFTWARE EMBEBIDO EN MICROCONTROLADOR…. 26 
 
 
incluso otro software. Para esto, se necesita que los dispositivos inteligentes: tengan capacidad 
de obtener información sobre su entorno a través de la medición y control de sensores y 
actuadores, una configuración que se pueda adaptar a cada necesidad como pueden ser cuestiones 
de conectividad o seguridad , deben tener un módulo de gestión de seguridad y credenciales, 
deben permitir el control automático de tareas de forma tal que se programe el objeto inteligente 
para realizar tareas, y puedan comunicarse con otros sistemas como servicios web o servicios en 
la nube. 
 
G. Arquitectura de Software IOT. 
 
En [3] y [40] se propone una arquitectura orientada a servicios para un middleware para IOT ya 
que según los autores es fundamental abstraer a los desarrolladores de IOT de cierta 
infraestructura de IOT. El hecho de haber elegido SOA, explican los autores, es porque la 
adopción de este tipo de arquitecturas permite descomponer sistemas complejos y monolíticos en 
aplicaciones consistentes de un ecosistema de componentes simples y bien definidos. Esta 
arquitectura está compuesta básicamente por cinco capas: Aplicaciones, Composición de 
Servicios, Gestión de Servicios, Abstracción de Objetos. 
 
En [12] se propone una arquitectura modular, escalable que soporte agregar o eliminar 
funcionalidades dependiendo de los requerimientos. Esta arquitectura de alto nivel está 
compuesta por cuatro capas: Espacio físico y/o virtual, Sensor como un servicio, Gestión de 
datos, Estadísticas/Análisis de datos. 
 
En [11] se propone un modelo arquitectónico de referencia que provee vistas y perspectivas de 
diferentes aspectos arquitectónicos, que son de interés de los participantes en un proyecto IOT. 
En su publicación se menciona que la mayor contribución la da el Modelo de Referencia que 
provee conceptos y definiciones sobre los cuales se pueden construir arquitecturas IOT. El 
modelo de referencia a su vez consiste en tres submodelos: 
 
- Submodelo de Dominio 
ARQUITECTURA DE APLICACICONES DE SOFTWARE EMBEBIDO EN MICROCONTROLADOR…. 27 
 
 
- Submodelo de Información 
- Submodelo de Comunicación 
 
El Submodelo de Dominio, que define los conceptos desde el punto de vista de la información en 
IOT. Este Submodelo de Dominio es la base del modelo de referencia y sirve como soporte a la 
arquitectura de referencia para que todas las arquitecturas concretas hagan referencia a los 
mismos conceptos, introduciendo los principales conceptos como Dispositivos, Servicios IOT, 
Entidades Virtuales y la relación entre estos conceptos, como por ejemplo la relación “Los 
servicios exponen recursos”. 
 
El Submodelo de Información que en realidad surge a partir del Submodelo de Dominio y explica 
cómo se modela la información en IOT a través de una estructura abstracta que contiene 
relaciones y atributos, sin entrar en detalles de cómo se va a terminar representando esa 
información en los casos concretos. 
 
Por último, el Submodelo de Comunicación establece algunos lineamientos sobre cómo 
administrar diversos protocolos de comunicación. 
 
Otro Modelo importante definido en [15] y [16] es el Modelo Funcional. Para explicar el 
concepto de Modelo Funcional primero hay que definir dos conceptos: 
 
- Descomposición Funcional que hace referencia al proceso dividir componentes funcionales 
- Componentes Funcionales que son los que arman la arquitectura de referencia 
 
El objetivo principal de la descomposición funcional es la de utilizar la estrategia “divide y 
vencerás” para disminuir la complejidad de la solución en piezas más pequeñas y comprensibles. 
Uno de los resultados que produce la descomposición funcional es el modelo funcional que es 
una forma de representación abstracta de los grupos funcionales de componentes que integran la 
arquitectura de referencia. En el modelo funcional se encuentran los siguientes grupos 
funcionales: 
ARQUITECTURA DE APLICACICONES DE SOFTWARE EMBEBIDO EN MICROCONTROLADOR…. 28 
 
 
 
- Gestión de Procesamiento: cubre los requerimientos de negocio respecto la posibilidad de 
construir servicios y aplicaciones sobre los servicios de IOT que se ofrecen. 
 
- Seguridad: cubre cuestiones de confiabilidad, seguridad y privacidad. 
 
- Gestión: cubre trasversalmente la interacción entre los demás grupos funcionales. 
 
- Organización de los servicios: actúa como un concentrador entre los demás grupos funcionales. 
 
- Entidad virtual y servicio IOT: incluyen funciones relacionadas con la obtención y el envío de 
datos desde y hacia los dispositivos, respectivamente. 
 
En [16] se define un conjunto de componentes que están presentes en la mayoría de los artefactos 
software independientemente de los requerimientos que se tengan. La capa de presentación 
contiene toda la funcionalidad relacionada con el usuario para administrar la relación sistema-
usuario. 
La capa de negocios implementa las funcionalidades centrales del sistema y las encapsula 
exponiendo sólo las funcionalidades necesarias para las capas superiores. Por lo general, tiene un 
conjunto de interfaces para que el resto de los componentes puedan consumir su información. 
La capa de datos provee acceso a: Datos almacenados localmente, Datos expuestos por sistemas 
externos dentro de la misma red Además, al igual que la capa de negocios, provee interfaces para 
que el resto de los componentes puedan consumir su información. En una vista más detallada de 
la arquitectura propuesta en [41] y [42] se presentan los subcomponentes que cada capa posee y 
se agregan la capa de servicios y las transversales. 
Las capas transversales varían de un escenario a otro y deben ser identificadas para cada caso de 
uso. Este grupo de capas por lo general incluye funcionalidades como logging, caching, 
validaciones, autenticación y manejo de errores. El hecho de identificar estas funcionalidades 
transversales es de extremada importancia dado que fomenta una mejor reusabilidad y 
mantenimiento, mientras que al mismo tiempo evita duplicar componentes software. Las capas de 
ARQUITECTURA DE APLICACICONES DE SOFTWARE EMBEBIDO EN MICROCONTROLADOR…. 29 
 
 
esta vista detallada y sus subcomponentes son: Capa de Presentación (interfaz de usuario y 
componente lógicos), Capa de Negocios (Facha de la aplicación y Lógica de negocio), Capa de 
acceso a datos y Capa de servicio donde se exponen la comunicación para integración. 
 
 H. Nivel Arquitectural Propuesto. 
 
1. Arquitectura de Software. 
 
La arquitectura de software explica la estructura, funcionamiento e interacción de los diferentes 
componentes del software y no se centra en algoritmos ni estructuras de datos. Esta arquitectura 
muestra el diseño y especificación global del sistema [19]. 
 
En este contexto, la arquitectura software que se propone en este trabajo, intenta ser un marco de 
referencia que permita a los diferentes componente del hardware interactuar entre sí (según lo 
disponga el programador), con el fin de permitir tener una solución de captura, procesamiento y 
transferencia de información (envío de datos) enfocada a solucionesIoT. 
 
La arquitectura propuesta utiliza elementos arquitectónicos como patrones de diseño de software 
(singlenton, interfaces, builders, factories, froncontroller, composition, aggregation) con el fin de 
conseguir una fácil implementación del patrón de arquitectura modelo vista control MVC como 
lo referenciado en [41] y [42]. La arquitectura se muestra como un marco de referencia de alto 
nivel y no llega a la especificidad detallada de la implementación ni de los patrones 
arquitectónicos, como tampoco de los distintos componentes que modelará la arquitectura. La 
arquitectura actúa como marco referencia para el desarrollo de aplicaciones embebidas en micro-
controladores y será en tiempo de programación donde se defina a nivel algorítmico la 
implementación de la misma. 
 
2. Micro-Controlador. 
 
Los sistemas embebidos trabajan con Micro-controladores que realizan operaciones de entrada, 
procesamiento y salida de información [10]. El sistema embebido es el cargado de administrar la 
ARQUITECTURA DE APLICACICONES DE SOFTWARE EMBEBIDO EN MICROCONTROLADOR…. 30 
 
 
memoria y de interactuar con los periféricos de todos los elementos que componen una tarjeta de 
toma de datos que está conectada a la IoT, en este sentido, el software embebido es quien 
gobierna el funcionamiento de los elementos de la tarjeta (micro-controladores) [7][43] como se 
muestra en la Figura 1. 
 
Figura 1. Harvard Microcontroller Architecture 
 
Desde el fabricante el micro-controlador tiene cargado una capa de software llamada bootloader, 
que hace parte del firmware [44], que es el encardo de exponer a los desarrolladores las interfaces 
de programación tanto de puertos análogos, digitales, I2C , UART,s entre otros, al igual que el 
acceso a la memoria y demás componentes del hardware, para que así desde la capa de 
aplicación se pueda interactuar con el micro-controlador. Además, el bootloader es el encargado 
de cargar la capa de software desarrollada por el usuario (aplicación) y transferir el control del 
micro-controlador a esta, tanto la capa de software bootloader (en otros Micro-controladores 
también se conoce como firmware y contiene componentes más robustos como micro sistema 
operativos embebidos), como la de aplicación son guardadas en memoria no volátil, permitiendo 
que las dos capaz de software nunca se borren, salvo cuando el usuario decida hacerlo o 
actualizarlas. La Figura 2 muestra un diagrama, de alto nivel, el cual permite la visualización de 
las diferentes capaz que conforman los componentes de software y hardware en una tarjeta de la 
IOT. 
ARQUITECTURA DE APLICACICONES DE SOFTWARE EMBEBIDO EN MICROCONTROLADOR…. 31 
 
 
 
Figura 2. Diagrama de Componentes de una tarjeta de la IoT. 
 
 
3. Caracterización de los MicroControladores. 
Como se mencionó antes, los sistemas embebidos tienen como principal protagonista el 
microcontrolador, la importancia de este y sus características hacen que una solución IoT, tenga 
posibilidades múltiples para interactuar con el mundo exterior y el internet. La Tabla 5, presenta 
una variedad de clasificaciones dependiendo de distintas características de estos elementos 
electrónicos. 
TABLA V. CARACTERIZACION DE LOS MICROCONTROLADORES 
CLASIFICACIÓN DESCRIPCIÓN 
Según Bits 
8 
Puede Procesar datos de 8 bits a la vez, los ejemplos de Micro-controladores 
de 8 bits son 
Intel 8031/8051. Estos se utilizan en el control de posición, las aplicaciones 
de control de velocidad. 
16 
Tiene mayor precisión y rendimiento en comparación con el de 8 bits. Estos 
se han desarrollado para el propósito de aplicaciones de alta velocidad, tales 
como sistema de control servo, robots etc. Algunos ejemplos de micro-
controlador de 16 bits son Intel 8096 y el Motorola MC68HC12 y sus 
familias. 
32 
Utiliza las instrucciones de 32 bits para realizar las operaciones aritméticas y 
lógicas estos se desarrollan con el propósito de uso en aplicaciones de muy 
alta velocidad en el procesamiento de imágenes, telecomunicaciones, 
sistema de control inteligente etc. Algunos ejemplos son Intel / 251 Atmel 
familia, PIC3x , ARM 
Según 
Ubicación 
de la 
Memoria 
Embebida en 
el Micro-
controlador 
La Memoria se encuentra en el mismo micro-controlador y en el mismo 
integrado, el programa y los datos están en la misma memoria. Por ejemplo , 
el 8051 tiene programa y memoria de datos , puertos I / O , la comunicación 
en serie , contadores y temporizadores e interrupcines en el mismo chip o 
integrado. 
ARQUITECTURA DE APLICACICONES DE SOFTWARE EMBEBIDO EN MICROCONTROLADOR…. 32 
 
 
Memoria 
Externa al 
Micro-
controrlador 
Tiene el programa en una memoria externa, por ejemplo 8031 
Según 
Instruction 
Set 
CICS 
CISC significa Complex Instruction Set Computing , que permite al usuario 
aplicar 1 instrucción como alternativa a muchas instrucciones simples 
RISC 
RISC Reduced Instruction Set significa Informatics . RISC reduce el tiempo 
de operación por el acortamiento de la ciclo de reloj por instrucción. El 
RISC da una mejor ejecución que la CISC. 
Según la 
Arquitectur
a de 
Memoria 
Harvard 
Memory 
Estos Micro-controladores tienen en el mismo espacio de memoria los datos 
y los programas. 
Von Neuman 
& Princetone 
Estos Micro-controladores tienen en el mismo espacio de memoria tanto 
datos como programas. La memoria externa al micro-controlador en el 
mismo integrado. 
Según el 
tipo de 
Integrado 
8051 
8051 es un micro-controlador de ocho bits inventado en 1981 por Intel 
Corporation . Está disponible en 40 pines. Este es el micro-controlador 
básico pero todavía muchas empresas están fabricando este tipo de micro-
controladores. Los tipos más antiguos de 8051 tienen 12 ciclos por 
instrucción que lo hacen lento mientras que el reciente 8051 tienen 6 
instrucciones por 
ciclo de reloj. El micro-controlador 8051 no tiene memoria integrada ni 
convertidores A / D y está clasificado como CISC , el 8051 utiliza la 
arquitectura de Von Neuman. 
PIC 
Peripheral Interface Controller, es una familia de Micro-controladores de 
Microchip Technology EE.UU. con la arquitectura Harvard . Originalmente, 
este fue desarrollado como dispositivo de soporte para PDP (procesador de 
datos de programa) para apoyar a los dispositivos electrónicos en el control 
de periféricos. Son clasificados como RISC. Una cosa interesante sobre PIC 
es que su ciclo de máquina se compone de sólo 4 pulsos de reloj en contraste 
con 12 pulsos de reloj en Intel 8051. Estos Micro-controladores están siendo 
usados en aplicaciones como teléfonos inteligentes, accesorios de audio, 
vídeo y periféricos para juegos y dispositivos médicos avanzados. 
ARM 
ARM es un Micro-controladores de 32 bits cuyo núcleo está diseñado por 
ARM Limited con arquitectura RISC . ARM tiene Von Neumann 
arquitectura (programa y RAM en el mismo espacio) . Los Micro-
controladores ARM son muy utilizados para el ahorro de energía y están 
presentes dispositivos de muy bajo consumo de energía. Se caracteriza por 
ejecutar muchas instrucciones en 1 solo ciclo de reloj. Son muy utilizados en 
dispositivos inteligentes o Smart Devices. 
AVR 
El AVR es de Harvard arquitectura RISC de 8 bits fue desarrollado por 
Atmel en 1996. El AVR es sinónimo de Alf - Egil Bogen y el procesador 
RISC de Vegard Wollan . AVR toma sólo un ciclo reloj por instrucción. Se 
clasifican en TyniAVR, Mega AVR, XMegaAVR 
 
De acuerdo a [45], la tendencia en los Micro-controladores para la tarjetas electrónicas de captura 
de datos para la IoT, deberían ser de bajo consumo. Esto debido a que las soluciones que se están 
implementando y se visiona implementar estarán en cualquier sitio donde no necesariamente 
tendrá alimentación de una fuente de energía como la red eléctrica, sino que serán alimentados 
por baterías de plomo-acido, gel-acido, níquel-cadmio, entre otras, y en otros escenarios se usará 
ARQUITECTURA DE APLICACICONES DE SOFTWARE EMBEBIDOEN MICROCONTROLADOR…. 33 
 
 
energía solar. Debido a este tipo de situaciones los fabricantes están diseñando nuevas 
alternativas de micro-controladores que cuenten con esta característica, con el propósito de que 
el micro-controlador sea más competitivo en el desarrollo de las tarjetas electrónicas para la IoT. 
Por tal motivo, la arquitectura propuesta, provee una restricción importante para la 
implementación del software teniendo como argumento lo antes expuesto, una capa de software o 
componente de capa debe implementar el manejo de alimentación o en su defecto, tiempos 
adormecimiento (sleep times) dependiendo del uso para el cual se está desarrollando la aplicación 
embebida. 
 
4. Soluciones IOT. 
 
El término IOT, se refiere a una evolución de lo que hoy se conoce como Internet para convertirla 
en una red interconectada de objetos que no solo recolectan información del ambiente e 
interactúa con el mundo físico, sino que usa estándares de Internet para proveer servicios de 
información [17]. Esto implica, además de tener determinada infraestructura, servicios y demás, 
la construcción de “cosas” inteligentes en sistemas embebidos de forma tal que tengan la 
conectividad necesaria para construir un ecosistema en donde todos los artefactos (Tanto 
hardware como software) estén interconectados [13]. 
 
La IoT ha traído consigo entre otras cosas el uso integrado de las tecnologías de la información y 
las comunicaciones, el desarrollo y acuerdos sobre estandarización, y un nuevo modo de ver a 
toda la sociedad interactuando con una infraestructura de comunicaciones Persona-Máquina o 
M2M (Máquina a Máquina) que proporcionará una nueva generación de servicios en una Internet 
del Futuro con la interconexión de dispositivos de detección inalámbricos en Redes de Sensores 
Inalámbricas (WSN Wireless Sensor Network) basadas en IP [28]. 
 
I. Arquitectura de Software Propuesta. 
 
En función del análisis realizado en el capítulo 1 correspondiente a la Descripción del Problema, 
se considera de interés citar nuevamente el problema abierto que se aborda en este trabajo de 
investigación, recordando que el mismo se focaliza en el diseño de una arquitectura de referencia 
ARQUITECTURA DE APLICACICONES DE SOFTWARE EMBEBIDO EN MICROCONTROLADOR…. 34 
 
 
de software para objetos inteligentes en IOT. Tal como se mencionó en el capítulo 3 como un 
sistema embebido que puede entender y reaccionar a lo que está ocurriendo en su alrededor [39] 
y que no solo se interesa por la interacción con el usuario sino también de la interacción con otros 
sistemas embebidos o incluso otro software, es decir, contempla la interacción con el mundo 
físico y virtual al mismo tiempo. El concepto internet de las cosas implica la construcción de 
estos sistemas embebidos de forma tal que tengan la conectividad necesaria para construir un 
ecosistema en donde todos los artefactos (Tanto hardware como software) estén interconectados 
[13]. 
 
La ausencia de una arquitectura con estos fines dificulta el desarrollo de soluciones haciendo que 
los existentes terminen siendo “a medida”, lo cual eleva costos y disminuye el grado de 
reutilización del software, dado que para cada solución se plantea una nueva arquitectura en vez 
de reutilizar componentes arquitectónicos de un problema similar anterior. Esto se debe a que el 
diseño arquitectónico de software es un proceso que debe tomar como entrada los requerimientos 
del sistema y tener como salida una arquitectura de software que los satisfaga. Por lo general, este 
proceso de diseño arquitectónico es iterativo, hasta que se asegura que su estructura es acorde a 
los requerimientos. Con la existencia de una arquitectura de referencia, se disminuirán 
considerablemente las iteraciones dado que solo se necesita adaptar una arquitectura ya existente 
a los requerimientos específicos del problema a resolver. Además las arquitecturas de referencia 
sirven como base para producir arquitecturas concretas que resuelven casos particulares [15]. La 
arquitectura actúa entonces, como enlace entre la fase de ingeniería de requerimientos y diseño 
del software, describiendo la forma en que se organiza el sistema como un conjunto de 
componentes relacionados entre sí (Figura 3). 
 
 
 
 
 
Figura 3. Arquitectura de Referencia en el diseño arquitectónico. 
Requerimientos Arquitectura de 
Referencia 
 
Arquitectura 
Concreta 
ARQUITECTURA DE APLICACICONES DE SOFTWARE EMBEBIDO EN MICROCONTROLADOR…. 35 
 
 
Para el planteamiento de la arquitectura, se definieron algunos elementos importantes como 
punto de partida, estos se describen a continuación. 
 
1. Atributos Arquitectónicos. 
 
La definición de los atributos de calidad que se establecen en la arquitectura de software, 
permiten la implementación de los requisitos funcionales / no funcionales, los atributos como 
rendimiento, interoperabilidad, usabilidad, conectividad, flexibilidad, mantenibilidad, seguridad y 
escalabilidad son abordados en [46] y [19]. De la misma forma estos atributos de calidad 
permiten la evaluación de la arquitectura, aplicando alguna métrica para tal fin. La definición de 
atributos de calidad tiene como base el ámbito del problema (captura y vigilancia en tiempo real 
para variables agro-climáticas), seguidamente los requisitos funcionales y finalmente las 
restricciones técnicas. Además de los atributos de calidad, se abordan atributos intrínsecos a la 
arquitectura tales como: la mantenibilidad del software [47], atributo que permite la 
comunicación del equipo de desarrollo, la rápida evolución del producto y la disminución de los 
costos por mantenimiento del mismo, al igual que una mejor documentación del producto final 
[21]. Los atributos de calidad para la evaluación la arquitectura propuesta se especifican el 
numeral IX-B. 
 
2. Requisitos Funcionales. 
 
La arquitectura planteada en la Figura. 4 permite implementar requisitos funcionales que son 
parte de la lógica de negocio en el dominio de la IoT, los requerimientos aquí planteados fueron 
definidos de acuerdo a la revisión del estado del arte y de las necesidades encontradas en [48] 
[11] [49] : 
 
A. El Sistema deberá capturar datos de sensores conectados a puertos análogos o digitales. 
B. El sistema deberá normalizar los datos capturados aplicando algoritmos de normalización 
según sea el caso del sensor. 
C. El sistema deberá permitir cambiar el estado (ON/OFF) de un actuador conectado a un puerto. 
ARQUITECTURA DE APLICACICONES DE SOFTWARE EMBEBIDO EN MICROCONTROLADOR…. 36 
 
 
D. El Sistema deberá permitir conectarse al internet haciendo uso de comunicación GSM/GPRS, 
Wifi ó Ethernet. 
E. El sistema deberá permitir él envió de datos capturados a un sistema remoto utilizando un 
protocolo de comunicación definido (HTTP, REST, CoAP, MQTT) 
F. El sistema deberá permitir configurarse desde una interface gráfica móvil o html. 
G. El sistema deberá permitir ser consultado o monitoreado desde comandos externos haciendo 
uso de la interfaz serial ó TX/RX. 
 
 
3. Estilo Arquitectónico. 
 
La arquitectura propuesta es multicapa, y está basada en el patrón modelo-vista-controlador-
comunicación [19][41], la cual está compuesta por diferentes capas y componentes 
arquitectónicos que dan origen a la arquitectura propuesta. La arquitectura permite implementar 
capas que interactúan con los distintos componentes del hardware, estas capas son las 
abstracciones a nivel de software que representan, tanto la lógica del negocio como los elementos 
del hardware tal como se ve en la Figura 4. 
 
 
4. Patrones de Arquitectura vs Capas. 
 
La Figura 4, permite visualizar las diferentes capas de software donde cada uno de los 
componentes estará representados en la arquitectura planteada. 
 
Interface. 
 
La Interface, es la capa que permite la comunicación con el sistema embebido y el mundo 
exterior, implementaun Listener (clase abstracta) encargado de identificar las peticiones 
entrantes, decodificar las ordenes y entregar la responsabilidad al componente capaz de resolver 
la petición (Commands). Esta a su vez implementa componentes dependiendo del origen de las 
ARQUITECTURA DE APLICACICONES DE SOFTWARE EMBEBIDO EN MICROCONTROLADOR…. 37 
 
 
peticiones, los cuales pueden venir por algún puerto de comunicación para recepción y trasmisión 
de datos como el puerto serial o una comunicación por puerto TX/RX usando algún protocolo de 
comunicación (el cual se implementa en la capa del sistema que contiene los protocolos de 
comunicación). 
 
 
Figura 4. Capas y Componentes de la arquitectura propuesta. 
 
La sub-capa de comandos (Commands), implementa todas las acciones (peticiones o eventos) 
posibles que pueden llevar se a cabo gracias a las solicitudes entrantes, y esta acciones a su vez 
interactúan con las capa de rutinas propias de la lógica del dominio o administradores de casos de 
uso, tales como captura de datos de temperatura, humedad, ruido, radiación, luminosidad, entre 
otros. 
 
ARQUITECTURA DE APLICACICONES DE SOFTWARE EMBEBIDO EN MICROCONTROLADOR…. 38 
 
 
Capa de Control. 
 
Controladores de Dominio (Dommain Controllers) ó administradores de casos de uso, gestionan 
la lógica de negocio, de sensores, actuadores, rutinas de cliente web para consulta de datos en un 
servidor remoto y rutinas cuando el dispositivo se comporte como servidor, en cuyo caso la 
aplicación implementará una interface web si es necesario para la interacción directa entre 
usuario y dispositivo vía HTTP. 
 
Capa de Modelo. 
 
En la capa del Modelo (Model) se gestiona toda la lógica que interactúa directamente con las 
rutinas de bajo nivel expuestas por el firmware del micro-controlador, rutinas que son 
implementadas por la capa del sistema (System Abstraction Layer) en un componente de 
comunicación (COM) entre el micro-controlador y los puertos de entrada salida. 
 
La Capa del Sistema. 
 
System Abstraction Layer está dividida en sub-capas, que permiten la implementación de rutinas 
de bajo nivel o de servicio para que la lógica de negocio pueda ser soportada, para ello el 
componente Kernel o capa moderadora se vale de rutinas que permiten la ejecución normal de la 
aplicación en el micro-controlador, para ello, debe implementar la rutina inicial de 
configuración(setup) y una rutina de ciclo infinito (loop) que se termina ya sea por algún evento 
programado en la aplicación o por desconexión de la alimentación de la tarjeta electrónica. 
 
Una sub-capa importante que hace parte del sistema es la que implementa los Protocolos de 
Comunicación (COMMUNICATIONS PROTOCOLS), en esta capa se desarrollan las rutinas 
que permiten implementar los protocolos de comunicación con el mundo exterior. En este 
sentido, es posible, implantar protocolos que se enmascaran en HTTP como REST ó CoAP, o 
MQTT. 
 
ARQUITECTURA DE APLICACICONES DE SOFTWARE EMBEBIDO EN MICROCONTROLADOR…. 39 
 
 
La sub-capa de Comunicación implementa los medios de comunicación (COMMUNICATIONS 
SERVICES) que utilizará la tarjeta para interactuar con el medio exterior (internet) ya sea 
para enviar o recibir información, son rutinas de servicio, y dependiendo de cuál se 
implemente cada una tendrá su propia configuración. 
 
La sub-capa COM de bajo nivel para la comunicación, implementa la interrogación o envió de 
datos a los puertos de comunicación análogos o digitales del micro-controlador, esta 
implementación es necesaria para poder interactuar con los sensores, actuadores u otro 
dispositivo externo (mundo físico) que se conecte a la tarjeta. 
 
Finalmente, la capa del sistema implementa una sub-capa encargada de la Gestión de los 
Almacenamiento (Local Store Service) de datos locales, esto para el caso que la aplicación lo 
requiera. 
 
5. Vista General de la Arquitectura. 
 
Capa Lógica. 
 
El objetivo de la arquitectura planteada es contemplar los requerimientos generales (Numeral 
VII-I-2 Requisitos funcionales) que deben satisfacer los sistema embebido IOT. En términos 
generales, el sistema embebido interactúan directamente con el usuario/sistema remoto pero 
también lo hacen con otros tipos de hardware como computadores, dispositivos móviles, es decir, 
sistemas externos. 
 
La interacción con el usuario y sistemas externos es claramente distinta, el usuario pretende 
entender lo que el dispositivo le comunica en un lenguaje claro, natural y comprensible, mientras 
que los sistemas externos necesitan otro tipo de lenguajes como protocolos, estándares y 
notaciones, como podrían ser el protocolo HTTP y la notación JSON. Por este motivo, las capas 
más altas de la arquitectura son los extremos de la comunicación con el usuario y sistemas 
externos. 
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La capa de Lógica ( Logic Layer ) controla la entrada y salida del hardware con dos principales 
objetivos: 
 
1) Abstraer al usuario de la complejidad en términos de electrónica, dado que se trata de un 
sistema embebido y 
2) Abstraer a las capas inferiores de lo que el usuario ingresa o espera como respuesta en 
términos de formatos. Por ejemplo, la capa de presentación se puede encargar del control 
de un LCD inteligente, una pantalla táctil como así también botones y otros métodos de 
entrada. 
 
La subcapa WEB RUTINES / SERVER RUTINES, por otra parte, sirve a las peticiones externas 
que consumen información del sistema embebido directamente a través de servicios, publicados 
por el sistema embebido, sin pasar por la capa de presentación. Es posible que el usuario esté del 
otro lado del sistema externo, monitorizando o controlando la información que llega, pero esto no 
es estrictamente necesario ya que el proceso de medición puede también ser automatizado a 
través de sistemas informáticos sin necesidad de hacer uso de una interface gráfica del lado del 
sistema embebido que interactúe con el usuario. 
 
6. Capa de Abstracción del Sistema (Hardware). 
El objetivo de la capa de abstracción del sistema es exponer la implementación de los elementos 
virtuales del hardware (componentes de software) que se comunicarán los recursos reales de 
hardware. 
La capa de abstracción del sistema es la más importante dentro de la arquitectura dado que de ella 
depende la información extraída del contexto del sistema embebido. Para lograr este objetivo, el 
recurso virtual debe incluir las librerías o componentes software necesario para interactuar con el 
recurso físico asociado y en muchos de los casos dependiendo del hardware de entrada/salida 
usado, se depende de lo que el fabricante indique. Esto quiere decir que si, por ejemplo, el 
recurso físico es un componente ZigBee, pues el recurso virtual deberá poder dialogar ZigBee 
con el recurso físico. Cabe aclarar que estos recursos virtuales obtienen información de entrada 
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para el objeto inteligente, mientras que los de las capas superiores son para consumir la 
información de salida del objeto inteligente. 
 
7. Relación entre los componentes. 
 
En esta sección se describe cómo se relacionan los distintos componentes de la arquitectura de la 
sección 3.3.5. Para esto, se hace referencia al modelo 4+1 [40]. Para este trabajo se optó por 
omitir la vista de desarrollo y de escenarios, dado que ambos diagramas dependen 
exclusivamente de los requerimientos específicos para el sistema embebido, cosa que este trabajo 
carece, por ser una arquitectura de referencia. En las secciones 4.3.1 a 4.3.3 se documentan 
entonces la vista lógica, vista de procesamiento y vista física, respectivamente. 
 
 
8. Vista Lógica. 
 
Tal como se mencionó en capítulos anteriores la vista lógica de una arquitectura soporta los 
requerimientos funcionales(lo que el sistema debe proveer a los usuarios en términos de 
servicios) [40]. Si bien se pueden usar cualquier tipo de diagramas para documentar esta vista, los 
más comunes son Diagramas de Clase UML y Diagramas Entidad-Relación. En este trabajo se 
optó por diagramas de clase UML. En la figura 5 se puede observar la vista lógica de la 
arquitectura de referencia. En las secciones 4.1.1 a 4.1.4 se explican por separado las relaciones 
entre los componentes más importantes. 
 
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Figura 5. Vista Lógica de la Arquitectura Propuesta. 
 
9. Vista Física. 
 
Esta vista representa cómo se distribuyen los componentes entre los distintos componentes del 
sistema. En otras palabras, se ubica cada parte del software en un nodo, de forma tal que se 
mapeen software y hardware. 
 
En la figura 6, se muestra un diagrama de despliegue de alto nivel, que describe cómo se ubica al 
sistema embebido en un modelo orientado a servicios. En el diagrama se puede observar cómo el 
sistema embebido provee servicios a los clientes y, para generar una respuesta a esa petición, 
consume los valores que lee del hardware (recursos), los procesa y luego emite una respuesta. La 
idea de pensar a los sistemas embebidos como un Gateway, es decir, un intermediario, entre el 
consumidor y el recurso permite contemplar que hay recursos como sensores de temperatura, de 
luz o de humedad que no tienen la capacidad de integrarse a un ambiente de internet de las cosas. 
 
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Figura 6. Modelo Orientado a Servicios de un sistema embebido en la IOT. 
 
La figura 7 muestra la vista física de la arquitectura de referencia y es una versión detallada del 
modelo orientado a servicios propuesto en la figura 6. La vista comienza con el usuario 
realizando peticiones al sistema embebido a través de actuadores o software externo como 
pueden ser sistemas empresariales, aplicaciones web, o bien otros Sistemas Embebidos. Por 
ejemplo, en el caso de la biblioteca, la comunicación podría darse entre el sistema de reservas y el 
sistema embebido, aunque si un usuario administrador quisiera acceder directamente al sistema 
embebido, también podría hacerlo. Luego, dentro del sistema embebido se encuentran aquellos 
componentes que resuelven las peticiones generadas por el entorno. Básicamente, a través del 
Controlador Frontal (Listener) se delega el trabajo en los componentes de negocio y las 
componentes transversales (Se las reemplazó por un solo componente para ahorrar espacio en el 
diagrama), y los recursos virtuales ofrecen una interfaz hacia los recursos físicos del sistema 
embebido (Como pueden ser sensores de presencia o actuadores para encender una lámpara, 
sensores de temperatura, humedad, etc) como así también una interfaz hacia otros recursos 
virtuales, que pueden estar alojados en otro sistema embebido. Notar que los recursos físicos del 
sistema embebido impactan directamente sobre los objetos del mundo físico real, es decir, objetos 
no abstractos que el usuario puede ver y tocar. Por último, el componente de acceso a datos junto 
a su repositorio también es incluido dentro del sistema embebido. 
 
Cliente 
Sistema 
Embebido 
Hardware 
Petición Lectur
Respuesta Respuesta 
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Figura 7.Vista Física de la Arquitectura de Referencia. 
 
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VIII. APLICACIONES 
Ejemplo Práctico 
Se proponen dos ejemplos prácticos para mostrar cómo se puede utilizar esta arquitectura para 
resolver una problemática actual. En la sección 4.1.2 se enuncia el problema correspondiente al 
monitoreo de variables de humedad y temperatura para la optimización de riego en cultivos de 
cilantro, y en la sección 4.1.3 una solución con base a la arquitectura de referencia propuesta. 
 
El segundo ejemplo práctico se trata en el numeral 5.1. y corresponde al monitoreo de las 
variables de temperatura, humedad y nivel de agua para el caso de cosecha de agua de niebla, 
para este caso se toma la arquitectura del 1er caso y se hacen ligeros cambios para incluir el 
sensor ultrasonido que medirá el nivel de agua que determina la cantidad de agua cosechada. 
 
A. Problema Propuesto en caso de estudio 
La vigilancia de la temperatura en la agroindustria es importante para calcular unidades térmicas 
de crecimiento de cultivos [50], comúnmente llamadas unidades calor o grados-día, mediante las 
cuales es posible medir la influencia de la temperatura en la velocidad de desarrollo de los 
cultivos e insectos, y con ello predecir la aparición de etapas fenológicas de cultivos y estadios 
biológicos en los insectos. Los registros de temperatura también se usan para calcular horas o 
unidades frío requeridas por los frutales caducifolios y algunos insectos durante la etapa de 
hibernación, al igual que la temperatura, la humedad también es una variable climática clave para 
el pronóstico de enfermedades de cultivos, y se utiliza en combinación con otras variables para 
estimar la evapotranspiración. 
 
En la vigilancia y control de las variables de humedad y temperatura en un cultivo de cilantro en 
la vereda San José de Pavas, municipio de La Cumbre, Valle del Cauca Colombia, cuyo clima 
está definido como cálido tropical, con una altura de 1591 mts sobre el nivel del mar, la 
plantación se encuentra en la llanura de Pavas, que a pesar que su cabecera municipal la 
temperatura esta entre 19°C y 23°C según lo definido en [51]. 
Se requiere tomar medidas cautelares en virtud de las altas temperaturas y debido al fenómeno 
del niño ( año 2015), el riego sobre el cultivo se debe realizar conforme al comportamientos de 
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las variables agroclimáticas, esto garantiza una cosecha exitosa; gracias al uso de la medición de 
las variables se pude tomar decisiones para aumentar la frecuencia de riego en momentos donde 
las temperaturas llegare a superar los 30°C. 
Del control de las variables de humedad y temperatura se podrá tomar decisiones importantes 
para la optimización de los recursos hídricos y tener una mejor cosecha con reducción en los 
costos de producción. 
 
B. Solución Planteada 
Para solucionar el problema enunciado, se procedió a adaptar la arquitectura de referencia a la 
problemática propuesta. Esta es, una mirada general de la arquitectura concreta (Vista General), 
detalle de la arquitectura concreta (Arquitectura Detallada), una vista lógica (Vista Lógica), una 
vista de procesamiento (Vista de Procesamiento) y una vista física (Vista Física). 
 
Vista General 
La arquitectura concreta se puede observar en la figura 8. La misma comienza con una capa de 
sistemas externos que, para este escenario en particular, está compuesta por dos aplicaciones: 
Una para smartphones y otra para el consumo remoto de servicios web de una aplicación en la 
nube. Esta capa interactúa directamente con la capa de servicios, que es implementada a través de 
servicios web. En cuanto a la capa de presentación, del enunciado se extrae que la misma va a 
estar encargada de mostrar mensajes sobre un visor LCD. Luego, la capa lógica de negocios se 
transforma en este caso en lógica del sistema medición, implementando las funcionalidades 
requeridas. La capa acceso a datos se encarga de la lectura y escritura sobre memoria EEPROM y 
por último, los recursos virtuales 2: 
 
1. Medidor de Humedad: Que efectúa mediciones sobre el sensor de humedad. 
2. Medidor de Temperatura: Que efectúa mediciones sobre el sensor de temperatura. 
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Figura 8. Vista de la Arquitectura