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LPWAN y redes LoRa para ciudades

29 April 2021 08:00 AM por Johautt Hernández

Con el abaratamiento, miniaturización y modernización de la electrónica de consumo, y el abaratamiento aumento de 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.

Ya hoy día no sólo están interconectadas computadoras personales, laptops y servidores, también encontramos dispositivos celulares, electrodomésticos, televisores, consolas de videojuegos.

Pero aparte de ellos también se observa el surgimiento de redes de dispositivos conectados, los cuales están 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 sería que en no todos los lugares habrá manera de comunicarse, ya sea por lo costoso de colocar cables que deban llegar a los dispositivos usados allá, por el costo que implicaría para cada uno de estos dispositivos colocarles datos móviles de telefonía celular o por las limitaciones de acceso de estos dos dispositivos. También se da el caso que hay dispositivos que necesitan una gran autonomía de la batería, la cual es muy afectada enormemente por la mayoría de tecnologías de comunicación existentes.

Actualmente existe una tecnología de comunicaciones llamada LoRa, la cual permite que dos o más dispositivos IoT se comuniquen a largas, con un consumo de potencia y un costo reducido. Esto posibilita la realización de pequeños dispositivos de baja potencia y de gran autonomía de batería, que pueden comunicarse y compartir información con otros dispositivos a larga distancia, y si es necesario, agregarse a esa red un dispositivo que, conectado desde un lugar donde tenga facilitados los recursos eléctricos y de acceso a internet, pueda servir de puente entre los primeros y el resto del mundo, lo cual permitiría la manipulación remota, la recolección de datos y el posterior procesamiento de los mismos para mostrar a los usuarios la información deseada.

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

IoT: (internet of things o internet de las cosas) describe la red de objetos físicos (“things” o “cosas”) 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) LoRa (abreviatura de 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 son una plataforma inalámbrica de largo alcance y baja potencia que se ha convertido en la tecnología de facto para las redes de Internet de las cosas (IoT) en todo el mundo.

CSS: (chirp spread spectrum o chirrido de espectro ensanchado) 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 aumento o disminución de frecuencia con el tiempo (a menudo con una expresión polinomial para la relación entre tiempo y frecuencia). 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 área amplia de telecomunicaciones diseñada para permitir comunicaciones de largo alcance a una velocidad de bits baja entre cosas (things, del internet of things), 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 que está diseñada para conectar usuarios o empresas y transportar más datos utilizando más energía.

LoRaWAN: Dado que LoRa define la capa física inferior, faltaban las capas superiores de red. LoRaWAN es uno de varios protocolos que se desarrollaron para definir las capas superiores de la red. LoRaWAN es un protocolo de capa de control de acceso al medio (media access contro o MAC) basado en la nube, pero actúa principalmente como un protocolo de capa de red para administrar la comunicación entre puertas de enlace LPWAN y dispositivos de nodo final como un protocolo de enrutamiento, mantenido por LoRa Alliance.

Modelo OSI: El modelo de interconexión de sistemas abiertos (ISO/IEC 7498-1), más conocido como “modelo OSI”, (en inglés, Open System Interconnection) es un modelo de referencia para los protocolos de la red (no es una arquitectura de red), creado en el año 1980 por la Organización Internacional de Normalización. El modelo OSI está conformado por 7 capas o niveles de abstracción. Cada uno de estos niveles tendrá sus propias funciones para que en conjunto sean capaces de poder alcanzar su objetivo final. Precisamente 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 “interlocutores” (dispositivos en una red, como computadoras, teléfonos móviles, etcétera) se ponen de acuerdo para compartir un medio de transmisión común (por lo general, un cable eléctrico o fibra óptica, o en comunicaciones inalámbricas el rango de frecuencias asignado a su sistema).

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Aplicaciones de LoRa y LoRaWAN para las cuidades

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 de recursos naturales, control de la contaminación, eficiencia de la infraestructura, prevención de desastres y más.

Los dispositivos LoRa y el protocolo LoRaWAN han acumulado varios cientos de casos de uso conocidos para ciudades inteligentes, hogares y edificios inteligentes, agricultura inteligente, medición inteligente, cadena de suministro inteligente y logística, y más.

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

  • Monitorización del medio ambiente: los sensores basados en tecnologías comunicación inalámbricas de gran alcance y bajo consumo como lo es LoRaWAN monitorean el ruido, la contaminación del aire y del agua y mantienen a los ciudadanos informados sobre la calidad del aire, las condiciones y los contaminantes. Los parques y jardines se pueden irrigar de manera óptima al monitorizar la humedad del suelo, reduciendo así el desperdicio y el mantenimiento y conservación no programados.

  • Gestión de estacionamientos: los espacios de estacionamiento se monitorean y administran de manera más eficiente, generando ingresos incrementales y ayudando a los proveedores de estacionamiento a adaptar los precios a los patrones del mundo real. La ciudad puede monitorear los lugares “sin estacionamiento” para garantizar que los servicios de bomberos, policía y ambulancias tengan siempre acceso garantizado.

  • Seguridad: los dispositivos IoT de seguridad brindan información sobre la ubicación de los activos, los sensores detectan puertas y ventanas abiertas o movimiento, las personas y los procesos notifican cuando se exceden los umbrales de condición y los dispositivos envían alertas cuando se detecta humo y fuego.

  • Iluminación de las calles: Las ciudades pueden gestionar su huella energética de forma más eficaz, detectar cortes, luces rotas o cortes de suministro. Al gestionar la iluminación de forma inteligente, las ciudades pueden promover la seguridad en las zonas urbanas, así como mejorar la seguridad de los peatones, ciclistas y usuarios de la carretera.

  • Manejo de desperdicios: Comprender el estado de los contenedores permite a los proveedores de servicios de la ciudad reaccionar a los niveles de llenado en tiempo real, evita que los contenedores se saturen y derramen, permite una recolección de basura más eficiente y reduce las recolecciones innecesarias de contenedores medio vacíos, lo que ahorra combustible y reduce la contaminación.

  • Optimización del espacio de trabajo: Los datos recopilados ayudan a optimizar las instalaciones de la oficina. El entorno de la oficina se puede remodelar de acuerdo con el tráfico peatonal, la geolocalización y la disponibilidad de espacio en tiempo real. Esto ayuda a aumentar la satisfacción de los empleados al tiempo que mejora la seguridad de las áreas de trabajo y utiliza los recursos de la oficina de manera racional.

REFERENCIAS:

  1. https://en.wikipedia.org/wiki/LoRa

  2. https://www.semtech.com/lora/what-is-lora

  3. https://en.wikipedia.org/wiki/Chirp_spread_spectrum

  4. https://en.wikipedia.org/wiki/Internet_of_things

  5. https://en.wikipedia.org/wiki/LPWAN

  6. https://es.wikipedia.org/wiki/Modelo_OSI

  7. https://www.intellias.com/why-lora-is-the-best-option-for-smart-city-and-smart-building-applications/

REALIZADO POR:
Johautt Hernández
jhernandez@innotica.net
https://www.linkedin.com/in/johautt-hernández-341202125/

*Este blog es de divulgación, por lo tanto Las opiniones expresadas en este artículo son de exclusiva responsabilidad del autor y no necesariamente representan la opinión de la empresa.

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