Con el abaratamiento, miniaturización y modernización de la electrónica de consumo, y el aumento de la accesibilidad a internet, ha ido emergiendo una tendencia hacia la interconexión de dispositivos de todo tipo y de diferentes capacidades a internet para cumplir un propósito determinado por su diseño, y cuyo uso hace la vida más fácil.

Hoy día no solo están interconectadas computadoras personales, laptops y servidores; también encontramos dispositivos celulares, electrodomésticos, televisores y consolas de videojuegos.

Aparte de ellos, se observa el surgimiento de redes de dispositivos conectados configurados para retroalimentarse entre ellos y alimentar bases de datos que luego serán utilizadas por un software con un propósito determinado: ya sea medición de condiciones climáticas de una región, entender los factores que influyen en el consumo energético de una edificación, etcétera.

Una limitación existente es que no en todos los lugares habrá manera de comunicarse, ya sea por lo costoso de tender cables hasta los dispositivos remotos, por el costo que implicaría asignarles datos móviles de telefonía celular, o por las limitaciones de acceso de estas tecnologías. También se da el caso de dispositivos que necesitan una gran autonomía de batería, la cual se ve afectada enormemente por la mayoría de las tecnologías de comunicación existentes.

Actualmente existe una tecnología de comunicaciones llamada LoRa, que permite que dos o más dispositivos IoT se comuniquen a largas distancias con un consumo de potencia y un costo reducidos. Esto posibilita la realización de pequeños dispositivos de baja potencia y gran autonomía de batería que pueden comunicarse y compartir información a larga distancia.

Si es necesario, se puede agregar a esa red un dispositivo que, conectado desde un lugar donde tenga facilitados los recursos eléctricos y de acceso a internet, sirva de puente entre los primeros y el resto del mundo. Esto permitiría la manipulación remota, la recolección de datos y su posterior procesamiento para mostrar a los usuarios la información deseada.

Ejemplo de arquitectura de red LoRa para dispositivos IoT de largo alcance y bajo consumo.

Para comprender mejor lo que se está hablando, conviene aclarar algunos conceptos básicos:

IoT (Internet of Things o internet de las cosas): describe la red de objetos físicos que están integrados con sensores, software y otras tecnologías con el fin de conectar e intercambiar datos con otros dispositivos y sistemas a través de internet.

LoRa (Long Range o largo alcance): es una técnica de modulación de espectro extendido derivada de la tecnología chirp de espectro extendido (CSS). Los dispositivos LoRa y la tecnología de radiofrecuencia inalámbrica de Semtech conforman una plataforma inalámbrica de largo alcance y baja potencia que se ha convertido en la tecnología de facto para las redes IoT en todo el mundo.

CSS (chirp spread spectrum o espectro ensanchado por chirrido): usado en las comunicaciones digitales, es una técnica de espectro ensanchado que utiliza pulsos de chirp modulados de frecuencia lineal de banda ancha para codificar la información. Un chirrido es una señal sinusoidal de frecuencia creciente o decreciente con el tiempo. A veces, la frecuencia de los chirridos aumenta exponencialmente con el tiempo.

LPWAN (low-power wide-area network o red de área amplia de baja potencia): es un tipo de red inalámbrica de telecomunicaciones diseñada para permitir comunicaciones de largo alcance a una velocidad de bits baja entre dispositivos IoT, como sensores operados con batería. La baja potencia, la baja tasa de bits y el uso previsto distinguen este tipo de red de una WAN inalámbrica diseñada para conectar usuarios o empresas.

LoRaWAN: dado que LoRa define la capa física inferior, faltaban las capas superiores de red. LoRaWAN es uno de varios protocolos desarrollados para definir esas capas superiores. Es un protocolo de capa MAC basado en la nube que actúa principalmente como protocolo de capa de red para administrar la comunicación entre puertas de enlace LPWAN y dispositivos de nodo final, mantenido por la LoRa Alliance.

Modelo OSI: el modelo de interconexión de sistemas abiertos (ISO/IEC 7498-1), más conocido como modelo OSI (Open System Interconnection), es un modelo de referencia para los protocolos de red creado en 1980 por la Organización Internacional de Normalización. Está conformado por 7 capas o niveles de abstracción, cada uno con funciones propias. Esta separación en niveles hace posible la intercomunicación de protocolos distintos al concentrar funciones específicas en cada nivel de operación.

MAC (Media Access Control o control de acceso al medio): es el conjunto de mecanismos y protocolos de comunicaciones a través de los cuales varios dispositivos en una red —computadoras, teléfonos móviles, etc.— se ponen de acuerdo para compartir un medio de transmisión común, ya sea un cable eléctrico, fibra óptica o, en comunicaciones inalámbricas, el rango de frecuencias asignado a su sistema.

Aplicaciones de LoRaWAN en entornos urbanos e infraestructuras de ciudades inteligentes.

Aplicaciones de LoRa y LoRaWAN para las ciudades

Los dispositivos LoRa y el protocolo abierto LoRaWAN permiten aplicaciones inteligentes de IoT que resuelven algunos de los mayores desafíos que enfrenta nuestro planeta: gestión de la energía, reducción del consumo de recursos naturales, control de la contaminación, eficiencia de la infraestructura, prevención de desastres y más.

Han acumulado varios cientos de casos de uso conocidos para ciudades inteligentes, hogares y edificios inteligentes, agricultura inteligente, medición inteligente, cadena de suministro y logística, entre otros.

En el caso de las ciudades inteligentes (smart cities), sus objetivos son mejorar el rendimiento, optimizar los recursos, reducir el desperdicio y los costos, y mejorar la calidad de vida de sus ciudadanos. LoRaWAN es particularmente adecuado para las aplicaciones de las que las ciudades inteligentes se beneficiarían:

• Monitorización del medio ambiente: los sensores basados en LoRaWAN monitorean el ruido, la contaminación del aire y del agua, y mantienen a los ciudadanos informados sobre la calidad del aire y los contaminantes. Los parques y jardines se pueden irrigar de manera óptima al monitorizar la humedad del suelo, reduciendo el desperdicio y el mantenimiento no programado.
• Gestión de estacionamientos: los espacios se monitorean y administran de manera más eficiente, generando ingresos incrementales y ayudando a los proveedores a adaptar los precios a los patrones reales. La ciudad puede monitorear las zonas de prohibición de estacionamiento para garantizar el acceso de bomberos, policía y ambulancias.
• Seguridad: los dispositivos IoT de seguridad brindan información sobre la ubicación de activos, los sensores detectan puertas y ventanas abiertas o movimiento, y los dispositivos envían alertas cuando se detecta humo o fuego.
• Iluminación de las calles: las ciudades pueden gestionar su huella energética de forma más eficaz, detectar cortes o luces rotas, y promover la seguridad de peatones, ciclistas y usuarios de la vía.
• Manejo de desperdicios: conocer el estado de los contenedores permite reaccionar a los niveles de llenado en tiempo real, evita derrames, hace más eficiente la recolección de basura y reduce las recolecciones innecesarias, ahorrando combustible y reduciendo la contaminación.
• Optimización del espacio de trabajo: los datos recopilados ayudan a optimizar las instalaciones de oficina según el tráfico peatonal, la geolocalización y la disponibilidad de espacio en tiempo real. Esto mejora la satisfacción de los empleados, refuerza la seguridad de las áreas de trabajo y utiliza los recursos de manera racional.

Referencias

1. LoRa — Wikipedia (en)
2. What is LoRa? — Semtech
3. Chirp spread spectrum — Wikipedia (en)
4. Internet of things — Wikipedia (en)
5. LPWAN — Wikipedia (en)
6. Modelo OSI — Wikipedia (es)
7. Why LoRa is the best option for smart city and smart building applications — Intellias

Johautt Hernández — jhernandez@innotica.net — LinkedIn