Diseño y fabricación de capa de comunicaciones basada en LoRa para plataforma modular de redes de sensores inalámbricas

Este Trabajo Fin de Grado tiene por objetivo explorar la tecnología LoRaWAN y diseñar y fabricar un prototipo para la plataforma Cookies. LoRaWAN es una especificación de comunicaciones inalámbricas entre dispositivos desarrollada por la LoRa Alliance —una asociación de empresas, universidades y diversos organismos que en enero de 2017 ya contaba con 423 miembros—. Está especialmente pensada para usarse en los ámbitos del Internet de las Cosas (IoT), las comunicaciones de máquina a máquina (M2M), las Smart Cities y otras aplicaciones industriales. Sus principales características son la baja tasa de datos y el largo alcance de sus dispositivos gracias a las que consigue una alta eficiencia energética. Permite así lograr conexión con puntos a gran distancia sin necesidad de usar la red de telefonía ni de tener puntos de acceso a internet cercanos. Los mensajes viajan del nodo a una o varias gateways a través de ondas de radio usando la tecnología LoRa. Allí se convierten en paquetes que viajan por internet a través de los servidores de red y llegan a una aplicación donde el usuario puede disponer de ellos. A diferencia de la mayoría de estándares de comunicaciones para redes de sensores inalámbricas o Internet de las Cosas que se caracterizan por una arquitectura de malla en la que los nodos reenvían los mensajes de otros actuando como repetidores, la arquitectura de LoRaWAN es en estrella, con los nodos comunicándose únicamente con una o varias gateways. Esto hace que se reduzca el tiempo de emisión por cada nodo y, por tanto, su consumo energético. La seguridad de los datos se garantiza mediante claves que cifran los mensajes de extremo a extremo entre el nodo y el servidor de la aplicación y aseguran que no puedan ser alterados en su recorrido. Una vez conocida la tecnología se desarrollaron el hardware y software necesarios para su integración en la plataforma modular Cookies. Cookies es una plataforma hardware modular pensada para el prototipado de nodos para redes de sensores inalámbricas. Consta de varias capas, cada una con una función —alimentación, procesamiento, sensado y comunicaciones principalmente— que se apilan para conseguir el mejor nodo para cada aplicación. El objeto de este TFG es la fabricación de una capa de comunicaciones que utilice LoRa. El primer elemento en diseñarse fue una PCB con la que integrar un módulo LoRa comercial —el RM186— en una Cookie. Este dispositivo es capaz de comunicarse usando LoRa y también Bluetooth Low Energy, lo que le hace destacar frente a otras alternativas. Además se adquirió un kit de desarrollo proporcionado por el fabricante del módulo con el que realizar pruebas mientras se fabricaba la placa de circuito impreso. Una vez fabricada la placa se soldó el módulo y todos los componentes necesarios para su correcto funcionamiento e integración en la plataforma Cookies. Era necesario crear una red a través de la cual se pudieran recibir los datos enviados por el nodo. Se confió en The Things Network como proveedor de los servidores para crear la red y para manejar a aplicación a la que llegan los datos. Al no disponer de suficientes gateways en Madrid conectadas a la red de TTN fue necesario desarrollar una. Para ello se utilizó una placa iC880A capaz de recibir los mensajes LoRa y convertirlos en paquetes que se puedan enviar por TCP/IP. Para dotar a la gateway de conexión a internet se usó una Raspberry Pi. Con toda la infraestructura lista se conectaron los nodos disponibles a la aplicación y se comprobó el buen funcionamiento del conjunto. La tecnología permite un rápido acercamiento a ella y posibilita manejar grandes redes con gran flexibilidad y muy poca inversión. Es también interesante el hecho de que evite tener que usar internet o red telefónica para mapear los puntos deseados. La apuesta tanto de grandes empresas agrupadas en la LoRa Alliance como de particulares a través de iniciativas OpenSource por el estándar contribuirá a la popularización de la tecnología