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Conectividad IoT

IoT es conectar dispositivos a la Internet, para ello necesito una infraestructura de conexión y para ello disponemos de muchos tipos de conectividades que hay que conocer y saber cual es la más idónea en cada caso.

Una vez seleccionada la conectividad más adecuada para nuestro proyecto/aplicación, debemos buscar el HW IoT que disponga de esa conectividad o un HW adicional para conectar a nuestro dispositivo que conectemos a Internet.

Una de las principales ventajas de Arduino es que podemos dotarlo de comunicación de una forma sencilla añadiendo un shield o una breakout board y dispondremos de casi cualquier tipo de comunicación tanto de acceso a Internet como de para comunicar arduinos entre sí o con otros dispositivos de una red privada.

La tecnología de IoT se despliega de muchas maneras, por lo que no existe una única solución de red adecuada. Depende de la situación y de dónde se encuentren los dispositivos. Algunos de los factores que afectan la selección del tipo de red son:

  • el alcance de la red
  • el ancho de banda de la red
  • el uso de energía
  • la interoperabilidad
  • la conectividad intermitente
  • la seguridad

Una red cableada utiliza un cable Ethernet para conectarse a la red. El cable Ethernet se conecta a su vez a un DSL o a la pasarela de red. Las redes alámbricas son tecnología madura y es fácil conectarse si ya tiene líneas telefónicas, líneas de energía y líneas de cable coaxial.

Incluso en el caso de las redes inalámbricas, estas redes suelen estar conectadas a una red alámbrica en algún momento; por lo tanto, la red más utilizada es una híbrida de conectividad de red alámbrica e inalámbrica.

Articulo interesante redes: https://www.artik.io/blog/2015/iot-101-networks

Articulo interesante conectividad: https://www.artik.io/blog/2015/iot-101-connectivity

White paper sobre redes inlámbrica sub 1GHz: http://www.ti.com/lit/wp/swry017/swry017.pdf 

Guía de conectividad de IoT:  https://www.ibm.com/developerworks/library/iot-lp101-connectivity-network-protocols/index.html 

Interesante artículo sobre redes para IoT: https://www.redeweb.com/articulos/software/11-redes-inalambricas-fundamentales-para-internet-de-las-cosas/ 

IOT primeras redes IoT en Holanda y Corea: http://blogthinkbig.com/nace-la-primera-y-la-segunda-red-para-internet-de-las-cosas/

Muy buena explicación de comunicaciones: https://learn.adafruit.com/alltheiot-transports/introduction 

Redes Alambricas IoT (Wired)

Cuando en IoT se habla de confianza y seguridad a veces la mejor opción es la red cableada, siempre que ello sea posible.

Wired y Wireless tienen ventajas y desventajas cuando se trata de conectividad de red. La comprensión de estas ventajas e inconvenientes ayudará a tomar una decisión informada a la hora de aplicar una solución de IoT.

Implementaciones wired vs wireless: https://blog.senseware.co/2017/10/10/iot-implementations-wireless-vs-wired 

Ventajas de los dispositivos conectados con redes alambricas (wired):

  • Fiabilidad: Las conexiones Ethernet existen desde hace mucho más tiempo que la tecnología Wi-Fi, lo que la hace mucho más fiable. Son menos propensos a las conexiones caídas y son más confiables sin necesidad de depuración constante.
  • Velocidad: Las conexiones por cable se ven menos afectadas por factores locales como paredes, suelos, armarios, longitud de la habitación, interferencias de otros dispositivos electrónicos, etc. Esto permite que la conectividad por cable sea mucho más rápida que la inalámbrica. Las transmisiones de datos por cable no son sensibles a las distancias y la colocación de los dispositivos no tiene ningún efecto adverso en el rendimiento de la conexión.
  • Seguridad: Las conexiones por cable suelen estar alojadas detrás del cortafuegos de su red de área local (LAN) y, por lo tanto, permiten un control completo del sistema de comunicaciones. Esto significa que no hay datos de transmisión que puedan ser pirateados.

Desventajas:

  • Coste: Las conexiones por cable son más caras que las inalámbricas debido al costo del alambre, los costos de mano de obra para la instalación. En el caso de un cable dañado, los costes de reparación o sustitución son también muy elevados en comparación con las redes inalámbricas de mantenimiento relativamente bajo.
  • Movilidad: Las redes cableadas tendrían que estar enterradas en paredes, suelos y techos para llegar a los sensores que necesitan conectarse a ellas. Dado que los sensores son pequeños y pueden colocarse en cualquier lugar de una instalación, a veces sería físicamente imposible alcanzarlos.
  • Escalabilidad: La construcción y extensión de redes cableadas requiere planificación y presupuesto para su construcción. Los sistemas alámbricos necesitan que el hardware sea adquirido, instalado y configurado antes de que pueda ser completamente operativo. La escalabilidad sería un problema no sólo para que las redes funcionen rápidamente, sino también para la planificación y los costes.

Más información: https://medium.com/@hardy96tech/communication-wired-protocols-in-iot-ae263675f542

Ethernet

Un sistema para conectar una serie de sistemas informáticos para formar una red de área local, con protocolos para controlar el paso de información y evitar la transmisión simultánea por dos o más sistemas. Cada tarjeta de interfaz de red Ethernet (NIC) recibe un identificador único llamado dirección MAC. La dirección MAC se compone de un número de 48 bits. Dentro del número, los primeros 24 bits identifican al fabricante y se conocen como ID de fabricante o Identificador Único Organizativo (OUI), que es asignado por la autoridad de registro.

Ejemplo de red IoT de confianza ethernet: https://www.motioncontroltips.com/delivering-reliable-iot/

RS232

RS-232 es la abreviatura de Recommended Standard 232. Es básicamente un estándar de interfaz que se utiliza comúnmente en los puertos serie de los ordenadores y que define las características eléctricas y la temporización de las señales.

RS485/Modbus

RS-485 incrementa el número de dispositivos y define las características eléctricas necesarias para asegurar una señal adecuada. Puede crear redes de dispositivos conectados a un solo puerto serie RS-485. La inmunidad al ruido y la capacidad de caída múltiple hacen que el RS-485 sea la conexión serie de elección en aplicaciones industriales.

Fibra Óptica

El Internet de las cosas podría llevar la capacidad de la red hasta el punto en el que sólo la banda ancha entregada por la fibra óptica sería capaz de soportar.

Para cumplir con el verdadero potencial del Internet de las Cosas, en términos de accesibilidad, funcionalidad y capacidad de ampliación, los diferentes proveedores de servicio deberán garantizar el óptimo desempeño de las soluciones de acceso y anchos de banda que ofrecen.

Muchos dispositivos conectados pueden tener conexión fibra óptica no solo por las ventajas de ancho de banda sino por su fiabilidad e inmunidad a los ruidos

CAN BUS

Un protocolo serial multi-master basado en mensajes para la transmisión y recepción de datos del vehículo dentro de una red de área de controladores (Controller Area Network, CAN).

Diseñado inicialmente para aplicaciones de automoción en 1983, el bus CAN puede adaptarse a la industria aeroespacial, vehículos comerciales, automatización industrial y equipos médicos. A veces escrito como “CANbus”, el bus CAN conecta múltiples unidades de control electrónico (ECUs) también conocidas como nodos.

Guía de comunicación CAN BUS: http://www.libelium.com/downloads/documentation/canbus_communication_guide.pdf

Más información: https://humanizationoftechnology.com/redes-cableadas-can-bus-para-internet-de-las-cosas-desde-una-plataforma-abierta/revista/iot/01/2019/

Puerto Serie 

UART es el nombre del hardware utilizado para una interfaz serie RS-232. UART significa Universal Asynchronous Receiver Transmitter. Los primeros PCs tenían un chip UART, pero esta funcionalidad se encuentra ahora dentro de un chip más grande que también contiene otras características de E/S. Un UART puede ser utilizado cuando no se requiere alta velocidad o se requiere un enlace de comunicación económico entre dos dispositivos. La comunicación UART es muy barata: asíncrona porque no se transmite ninguna señal de reloj.

Redes Inalámbricas IoT

Como la mayoría de las redes cableadas tienden a ser voluminosas y costosas, las implementaciones de IoT inalámbricas son la solución común. La configuración de una red inalámbrica es un proceso sencillo que implica configurarlo para que funcione en un abrir y cerrar de ojos.

La IoT utiliza cuatro modelos de comunicación comunes:

  • Dispositivo a dispositivo
  • Dispositivo a nube
  • Dispositivo a puerta de enlace (gateway)
  • Compartir datos de back-end.

El tipo de tecnología inalámbrica implementada dependerá del modelo de comunicación.

Device to Device utiliza Bluetooth, Z-Wave o Zigbee ya que implica la transmisión de pequeñas cantidades de datos.

Device to Cloud utiliza tecnología WiFi o celular. Las conexiones en la nube permiten a los usuarios obtener acceso al dispositivo de forma remota.

Device to Gateway utiliza la red de su dispositivo inteligente como un teléfono inteligente o un reloj inteligente. Ejemplos de esto son los rastreadores de fitness que cargan datos en su aplicación móvil.

Backend Data Sharing extiende el dispositivo único a las comunicaciones en nube a terceros autorizados. Esto puede utilizar cualquier conectividad de red como WiFi, celular o incluso por satélite. Todo se reduce al caso de uso de su negocio

Ventajas de las comunicaciones Wireless:

  • Escalable: Las redes inalámbricas no requieren ninguna instalación de hardware. Típicamente involucran configuraciones y pueden estar listos y funcionando en poco tiempo. También se pueden ampliar muy fácilmente sin tener en cuenta las obstrucciones de la instalación. Las tecnologías inalámbricas más recientes utilizan plug and play, incluida la detección automática que ayuda a reducir los tiempos de instalación.
  • Bajo coste: Debido al avance en la tecnología inalámbrica, así como al número de fabricantes, el coste de la tecnología inalámbrica ha ido disminuyendo en los últimos años. Además, la mayoría de los sensores inalámbricos vienen con nodos que se pueden ampliar añadiendo nodos adicionales según los requisitos.

Desventajas de las comunicaciones Wireless:

  • Interferencia: Los dispositivos electrónicos en las proximidades de las redes inalámbricas pueden interferir fácilmente y pueden causar pérdidas en la conexión o reducir la calidad de la misma. Esto puede conducir a la pérdida de productividad hasta que el problema se identifique y se solucione.
  • Velocidad más lenta: Cuando se trata de datos en tiempo real, es imperativo que los datos se transmitan y estén disponibles lo más rápido posible. Las redes inalámbricas son susceptibles a una mayor latencia e interferencia de señal que afecta a la velocidad y consistencia de los datos.

ZigBee

ZigBee es una tecnología inalámbrica más centrada en aplicaciones domóticas e industriales. Los perfiles ZigBee PRO y ZigBee Remote Control (RF4CE) se basan en el protocolo IEEE 802.15.4, una tecnología de red inalámbrica que opera a 2,4GHz en aplicaciones que requieren comunicaciones con baja tasa de envío de datos dentro de áreas delimitadas con un alcance de 100 metros, como viviendas o edificios.

IEEE 802.15.4 es un estándar que define el nivel físico y el control de acceso al medio de redes inalámbricas de área personal con tasas bajas de transmisión de datos (low-rate wireless personal area network, LR-WPAN). El grupo de trabajo IEEE 802.15 es el responsable de su desarrollo. También es la base sobre la que se define la especificación de ZigBee, cuyo propósito es ofrecer una solución completa para este tipo de redes construyendo los niveles superiores de la pila de protocolos que el estándar no cubre.

ZigBee/RF4CE tiene algunas ventajas significativas como el bajo consumo en sistemas complejos, seguridad superior, robustez, alta escalabilidad y capacidad para soportar un gran número de nodos. Así, es una tecnología bien posicionada para marcar el camino del control wireless y las redes de sensores en aplicaciones IoT y M2M.

  • Estándar: ZigBee 3.0 basado en IEEE 802.15.4
  • Frecuencia: 2.4GHz
  • Alcance: 10-100m
  • Velocidad de transferencia: 250kbps

XBee

es el nombre comercial del Digi de una familia de módulos de comunicación por radio y están basados en el estándar zigbee, pero digi tiene muchos Xbee y algunos son zigbee estándar y otros son propietarios o modificaciones del estándar. Existen muchos módulos Xbee basados en el estándar IEEE 802.15.4

Más información: https://aprendiendoarduino.wordpress.com/2016/11/16/zigbeexbee/

WiFi

Normalmente la conectividad WiFi es la opción obvia elegida por los desarrolladores dada la omnipresencia de WiFi en entornos domésticos y comerciales: existe en la actualidad una extensa infraestructura ya instalada que transfiere datos con rapidez y permite manejar grandes cantidades de datos. Actualmente, el standard WiFi más habitual utilizado en los hogares y en muchas empresas es el 802.11n, ofreciendo un rendimiento significativo en un rango de cientos de megabits por segundo, muy adecuado para la transferencia de archivos, pero que consume demasiada potencia para desarrollar aplicaciones IoT.

  • Estándar: Basado en 802.11n
  • Frecuencia: 2,4GHz y 5GHz
  • Alcance: Aproximadamente 50m
  • Velocidad de transferencia: hasta 600 Mbps, pero lo habitual es 150-200Mbps, en función del canal de frecuencia utilizado y del número de antenas (el standard 802.11-ac ofrece desde 500Mbps hasta 1Gbps)

Bluetooth

Bluetooth es una de las tecnologías de transmisión de datos de corto alcance más establecidas, muy importante en el ámbito de la electrónica de consumo. Las expectativas apuntan a que será clave para desarrollar dispositivos wearable, ya que permitirá el establecimiento de conexiones IoT, probablemente a través de un smartphone.

El nuevo Bluetooth de baja energía, también conocido como Bluetooth LE o Bluetooth Smart, es otro protocolo importante para desarrollar aplicaciones IoT. Se caracteriza por ofrecer un alcance similar al de la tecnología Bluetooth normal pero con un consumo de energía significativamente reducido.

Es importante destacar que la versión 4.2, gracias a la incorporación del Internet Protocol Support Profile, permite conectarse directamente a internet mediante IPv6/6LoWPAN. Esto facilita el utilizar la infraestructura IP existente para gestionar dispositivos Bluetooth Smart basado en “edge computing”.

  • Estándar: Bluetooth 4.2
  • Frecuencia: 2,4GHz (ISM)
  • Alcance: 50-150m (Smart/LE)
  • Velocidad de transferencia: 1Mbps (Smart/LE)

Thread

En la actualidad, el protocolo de red más innovador basado en IPv6 es Thread. Diseñado para domótica, está basado en 6LowPAN, y del mismo modo que aquel, no es un protocolo de aplicaciones IoT como Bluetooth o ZigBee. Se diseñó como un complemento WiFi, puesto que aunque la tecnología Wi-Fi funciona muy bien en dispositivos de consumo, tiene limitaciones al utilizar en configuraciones de domótica.

Lanzado a mediados del 2014 por Thread Group, este protocolo sin canon de uso se basa en varios protocolos como IEEE 802.15.4, IPv6 y 6LoWPAN.

Es una solución resistente basada en IP para aplicaciones IoT.

Diseñado para trabajar sobre chips IEEE 802.15.4 ya existentes de fabricantes como Freescale y Silicon Labs, Thread es compatible con redes de topología de malla al utilizar radio transceptores IEEE802.15.4, siendo capaz de manejar hasta 250 nodos con altos niveles de autenticación y cifrado.

Una actualización de software relativamente sencilla permite a los usuarios utilizar thread en dispositivos ya compatibles con IEEE 802.15.4.

  • Estándar: Thread, basado en IEEE802.15.4 y 6LowPAN
  • Frecuencia: 2,4GHz (ISM)
  • Alcance: N/A
  • Velocidad de transferencia: N/A

Red de telefonía móvil

Cualquier aplicación IoT que necesite funcionar en grandes áreas puede beneficiarse de las ventajas de la comunicación móvil GSM/3G/4G.

La red de telefonía móvil es capaz de enviar grandes cantidades de datos, especialmente a través de 4G, aunque el consumo de energía y el coste económico de la conexión podrían ser demasiado altos para muchas aplicaciones.

Sin embargo, puede ser ideal para proyectos que integren sensores y que no requieran un ancho de banda muy grande para enviar datos por Internet.

  • Estándares: GSM/GPRS/EDGE (2G), UMTS/HSPA (3G), LTE (4G)
  • Frecuencias: 900 / 1800 / 1900 / 2100
  • Alcance: hasta 35km para GSM; hasta 200km para HSPA
  • Velocidad de transferencia (descarga habitual): 35-170kps (GPRS), 120-384kbps (EDGE), 384Kbps-2Mbps (UMTS), 600kbps-10Mbps (HSPA), 3-10Mbps (LTE)

Hologram

Conectividad celular para IoT

Web: https://hologram.io/

HW compatible de Hologram: https://hologram.io/hologram-compatible-hardware/

Permite una sim gratuita para probar con 1MB mensual 

Pricing: https://hologram.io/pricing/

Neul

El concepto de este sistema es similar al de Sigfox y funciona en la banda sub-1GHz. Neul aprovecha pequeños fragmentos de la “banda blanca” de las estaciones de TV para ofrecer alta escabilidad, amplia cobertura y bajo costes.

Este sistema se basa en el chip Iceni, que se comunica utilizando los “banda blanca” de la radio para acceder al espectro UHF de alta calidad. Ya está disponible debido a la transición analógica a la televisión digital.

La tecnología de comunicaciones que utiliza se llama Weightless, que es una nueva tecnología de red inalámbrica ampliada diseñada para aplicaciones IoT que compite contra las soluciones GPRS, 3G, CDMA y LTE WAN.

La velocidad de transferencia de datos puede ir de unos bits por segundo hasta 100 Mbps en el mismo enlace. Desde el punto de vista del consumo, los dispositivos consumen tan solo de 20 a 30 mA, es decir, de 10 a 15 años de autonomía con 2 pilas AA.

Para poder emplear esta tecnología hay que tener en cuenta la decisión que se haya tomado acerca del uso de las frecuencias de la banda blanda.

  • Estándar: Neul
  • Frecuencia: 900MHz (ISM), 458MHz (UK), 470-790MHz (espacios en blanco)
  • Alcance: 10km
  • Velocidad de transferencia: Desde unos pocos bps hasta 100kbps

6LoWPAN

6LoWPAN (IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks) es un estándar que posibilita el uso de IPv6 sobre redes basadas en el estándar IEEE 802.15.4 (LoRa, zigbee, etc…). Hace posible que dispositivos como los nodos de una red inalámbrica puedan comunicarse directamente con otros dispositivos IP.

6LowPAN es una tecnología inalámbrica basada en IP. En vez de tratarse de una tecnología de protocolos de aplicaciones IoT, como Bluetooth o ZigBee, 6LowPAN es un protocolo de red que permite mecanismos de encapsulado y compresión de cabeceras. Esta tecnología ofrece libertad de banda de frecuencia y capa física, por lo que se puede utilizar a través de múltiples plataformas de comunicaciones, como Ethernet, Wi-Fi, 802.15.4 y sub-1GHz ISM.

Capas de red:

6LoWPAN: 

6LowPAN (IPv6 Low-power wireless Personal Area Network) es una tecnología inalámbrica basada en IP muy importante. En vez de tratarse de una tecnología de protocolos de aplicaciones IoT, como Bluetooth o ZigBee, 6LowPAN es un protocolo de red que permite mecanismos de encapsulado y compresión de cabeceras. Esta tecnología ofrece libertad de banda de frecuencia y capa física, por lo que se puede utilizar a través de múltiples plataformas de comunicaciones, como Ethernet, Wi-Fi, 802.15.4 y sub-1GHz ISM.

Una característica clave es la introducción de la pila IPv6 (protocolo de internet versión 6), una innovación clave en el avance de IoT en los últimos años, ya que con IPv6 se ofrecen aproximadamente 5 x 10E28 direcciones IP a nivel global, permitiendo que cualquier objeto o dispositivo embebido tenga su propia dirección IP única para conectarse a Internet.

Ha sido diseñada especialmente para el hogar y la automatización de edificios proporcionando un mecanismo de transporte básico para producir sistemas de control complejos e interconexión de dispositivos de un modo económico a través de una red inalámbrica de bajo consumo.

Diseñada para enviar paquetes IPv6 sobre redes IEEE 802.15.4, para luego implementar protocolos superiores como TCP, UDP, HTTP, COAP, MQTT y websockets, 6LowPAN es una red de topología en malla robusta, escalable y auto-regenerativa. Los routers pueden encaminar datos enviados a otros dispositivos, mientras que los hosts permanecen inactivos mucho tiempo.

  • Estándar: RFC6282
  • Frecuencia: adaptable a múltiples capas físicas como Bluetooth Smart (2.4GHz), ZigBee o comunicación RF de bajo consumo (sub-1GHz)
  • Alcance: N/A
  • Velocidad de transferencia: N/A

Hardware 6LoWPAN: https://zolertia.io/ 

LoRaWAN

Es una especificación de una red LPWAN (Low Power Wide Area Network) propuesta por la LoRa Alliance y pensada para comunicar dispositivos de bajo coste y bajo consumo alimentados por baterías. La especificación cubre las capas PHY y MAC de la red, dejando a las aplicaciones el resto de capas. En la banda ISM de 868MHz (915 MHz en otras regiones), con un bitrate de hasta decenas de kbps (de 0.3 kbps hasta  50 kbps).

Enlaces:

Esta tecnología se parece en algunos aspectos a Sigfox y a Neul. LoRaWAN está diseñada para implementar redes de área amplia (WAN) con características específicas para soportar comunicaciones móviles, bidireccionales, económicas y seguras para aplicaciones de IoT, M2M, ciudades inteligentes y aplicaciones industriales.

Optimizada para bajo consumo de energía y para ofrecer amplias redes con millones y millones de dispositivos, sus velocidades de transferencia de datos van desde 0,3 kbps hasta 50 kbps.

  • Estándar: LoRaWAN
  • Frecuencia: Varias
  • Alcance: 2-5km (entorno urbano), 15km (entorno rural)
  • Velocidad de transferencia: 0,3-50 kbps.

Z-Wave

Z-Wave es una tecnología RF de bajo consumo diseñada inicialmente para productos de domótica como controladores de iluminación y sensores. Optimizado para la comunicación fiable de baja latencia de pequeños paquetes de datos, alcanza velocidades de datos de hasta 100kbit/s, opera en la banda de sub-1 GHz y es robusta frente a interferencias de Wi-Fi y otras tecnologías inalámbricas en el rango 2,4 GHz como Bluetooth o ZigBee. Es totalmente compatible con redes de topología de malla, no necesita un nodo coordinador y es muy escalable, permitiendo controlar hasta 232 dispositivos.

Z-Wave utiliza un protocolo más simple que otras tecnologías lo que permite una mayor rapidez en el desarrollo, pero el único fabricante de chips compatibles es la empresa Sigma Design, en comparación con la multitud de empresas que ofrecen productos de otras tecnologías inalámbricas como ZigBee o Bluetooth.

  • Estándar: Z-Wave Alliance ZAD12837 / ITU-T G.9959
  • Frecuencia: 900MHz (Banda ISM)
  • Alcance: 30m
  • Velocidad de transferencia: 9,6/40/100kbit/s

NFC

NFC (Near Field Communication) es una tecnología que permite dos vías simultáneas de interacción segura entre dispositivos electrónicos, siendo especialmente adecuada para smartphones, permitiendo a los consumidores realizar transacciones de pago, acceder al contenido digital y conectar dispositivos electrónicos, todo ellos sin contacto. Esencialmente, amplía la capacidad de la tecnología contacless de las tarjetas inteligentes permitiendo conexiones punto a punto y modos de funcionamiento activos y pasivos.

  • Estándar: ISO/IEC 18000-3
  • Frecuencia: 13.56MHz (ISM)
  • Alcance: 10cm
  • Velocidad de transf.: 100–420kbps

nRF24

Este dispositivo NRF2401, integra en un único chip, toda la electrónica y bloques funcionales precisos, para establecer comunicaciones RF (Radio Frecuencia) entre dos o más puntos a diferentes velocidades, (Hasta 2  Mb/seg) con corrección de errores y protocolo de reenvío cuando es necesario, sin intervención del control externo, lo que nos permite aislarnos de todo el trabajo sucio y complicado relacionado con la transmisión física.

Información de producto: http://www.nordicsemi.com/eng/Products/2.4GHz-RF/nRF24L01 

Wize

La tecnología Wize se basa en la frecuencia de 169 MHz y se ha utilizado durante más de 10 años para la medición inteligente por parte de las compañías de agua y gas. La tecnología ha mostrado un rendimiento excepcional, especialmente en lo que se refiere a la penetración de la radio en interiores. Esto lo hace perfecto para aplicaciones de IoT en entornos urbanos donde las paredes suelen mitigar la propagación de otras comunicaciones de radio.

Características.

  • Basado en una norma robusta y fiable EN-13757 – Wireless M-Bus
  • Capaz de alcanzar a larga distancia, hasta 20 KM
  • Consumo de energía extremadamente bajo: hasta 20 años de duración de la batería con 1 mensaje/día
  • Bidireccional con programación por aire (OTA)
  • Penetración profunda de la radio en interiores
  • Solución flexible: Sin bloqueo de chip, sin bloqueo de telecomunicaciones, posibilidad de utilizar la red existente o crear nuevas redes.

Protocolo: https://www.allwize.io/wize-protocol

Wize Alliance: https://www.wize-alliance.com/

Más información: https://www.allwize.io/post/the-wize-protocol-the-new-trendy-iot-standard

Dispositivo compatible con Arduino: https://www.kickstarter.com/projects/1230929587/extreme-lpwa-arduino-board-for-iot-using-the-wize?lang=es

Sigfox

Es una solución de conectividad celular mundial para el Internet of Things pensada para comunicaciones de baja velocidad que permite reducir los precios y el consumo de energía para los dispositivos conectados. La solución de conectividad SIGFOX se basa en una infraestructura de antenas y de estaciones de base totalmente independientes de las redes existentes.

En la red SIGFOX se transmiten mensajes de 12 bytes, pudiendo enviar 140 mensajes al día.

Sigfox trabaja con fabricantes como Texas Instruments, Atmel, Silicon Labs y otros para poder ofrecer distintos tipos de SOC, transceptores y componentes de conexión a su red. En el caso de smartphones y tablets, actualmente no son compatibles con esta red, pero, al no tener licencia de uso, su inclusión sería realmente económica y sencilla.

Es una alternativa de amplio alcance es Sigfox, que en términos de alcance está entre Wi-Fi y la comunicación móvil. Utiliza bandas ISM, que se pueden utilizar sin necesidad de adquirir licencias.

Sigfox responde a las necesidades de muchas aplicaciones M2M que funcionan con una batería pequeña y solo requieren niveles menores de transferencia de datos, allí donde WiFi se queda demasiado corto y la comunicación móvil es muy cara y consume demasiada energía.

Sigfox utiliza una tecnología llamada Ultra Narrow Band (UNB) diseñada para funcionar con bajas velocidades de transferencias de 10 a 1.000 bits por segundo.

Solo consume 50 microvatios (la comunicación móvil consume 5.000 microvatios) además de poder mantenerse en stand-by 20 años con una batería 2.5Ah (0,2 años para comunicaciones móviles).

Esta tecnología es robusta, energéticamente eficiente y funciona como una red escalable que puede comunicarse con millones de dispositivos móviles a lo largo de muchos kilómetros cuadrados. Así pues, es adecuada para aplicaciones M2M como: contadores inteligentes, monitores médicos, dispositivos de seguridad, alumbrado público y sensores ambientales.

El sistema Sigfox utiliza los transceptores inalámbricos que funcionan en la banda sub-1GHz ofreciendo un rendimiento excepcional, mayor alcance y un consumo mínimo.

  • Estándar: Sigfox
  • Frecuencia: 900MHz
  • Alcance: 30-50km (ambientes rurales), 3-10km (ambientes urbanos)
  • Velocidad de transferencia: 10-1000bps

Más información: https://www.rs-online.com/designspark/eleven-internet-of-things-iot-protocols-you-need-to-know-about

Redes LPWAN/LoRa

Redes LPWAN: https://www.aprendiendoarduino.com/2018/03/05/redes-lpwan/

Arduino y LoRaWAN: https://www.aprendiendoarduino.com/2018/03/07/arduino-y-lorawan/

Demo LoRa con Moteino: https://www.aprendiendoarduino.com/2018/03/07/demo-lora-con-moteino/

Arduino y LoRaWAN

Arduino MKR WAN 1300

MKR WAN 1300 es una placa potente que combina la funcionalidad de la conectividad MKR Zero y LoRa. Es la solución ideal para los fabricantes que desean diseñar proyectos de IoT con una mínima experiencia previa en redes que tengan un dispositivo de baja potencia.

La placa MKR WAN 1300 tiene comunicación inalámbrica unido a un diseño de la placa MKR Zero Board, es decir, que tendremos soporte para aplicaciones de 32 bits. La placa cuenta con 256KB de Memoria flash y 32KB SRAM. Puede funcionar con la energía de dos pilas de 1,5V y todo en un tamaño de 67,64 x 25mm. Al tener comunicación inalámbrica, el dispositivo al que se conecte tendrá opción de comunicarse a Internet.

El MKR WAN 1300 usar el módulo Murata CMWX1ZZABZ Lo-Ra module que lleva el transceiver Semtech SX1276:

Más información: https://store.arduino.cc/mkr-wan-1300

Buen artículo para sobre el MKR 1300: http://tinkerman.cat/arduino-mkr-wan-1300/

Moteino

Moteino es una plataforma de desarrollo compatible con Arduino inalámbrica de baja potencia basada en el popular chip ATmega328p utilizado en el Arduino-UNO, lo que lo hace 100% compatible con el IDE de Arduino (entorno de programación).

Para la programación, necesitará un adaptador FTDI externo para cargar los sketchs, con las ventajas de un menor costo y un tamaño más pequeño. La variante MoteinoUSB incluye el convertidor de serie USB.

Los Moteinos son compatibles y se pueden comunicar con cualquier otra plataforma Arduino o de desarrollo que utilice los populares transceptores HopeRF RFM69 o LoRa. Moteino también viene con un chip de memoria flash SPI opcional para programación inalámbrica o registro de datos.

Web Moteino: https://lowpowerlab.com/guide/moteino/

Moteino fue diseñado para ser una plataforma de desarrollo compacta, altamente personalizable y asequible, adecuada para IoT, domótica y proyectos inalámbricos de largo alcance. Estas son algunas de las características que distinguen a Moteino:

  • diseño modular pequeño y ligero que se adapta a recintos minúsculos
  • las configuraciones flexibles permiten el uso de varios transceptores inalámbricos
  • potencia realmente ultra baja: con tan solo ~ 2uA alcanzables en el modo de suspensión profunda, los Moteinos permiten que los proyectos con batería, como los sensores inalámbricos de movimiento/entorno, funcionen durante años. El modo de suspensión de Watchdog está en ~ 6uA (activación periódica). El nuevo 8Mhz Moteino permite el modo de sueño 100nA más bajo posible
  • Las radios sub-Ghz y LoRa producen un rango mucho más largo que las bandas de 2.4Ghz
  • programable de forma inalámbrica: puede volver a flashearlo sin cables, cuando se implementa en ubicaciones difíciles (solo con radios RFM69)
  • fácil de usar desde el familiar IDE Arduino, muchos ejemplos de código brindados para ayudarlo a comenzar

Pinout:

Los transceiver soportados por Moteino son:

Transceiver Datasheets

Muy buena explicación de los módulos de Adafruit: https://learn.adafruit.com/adafruit-rfm69hcw-and-rfm96-rfm95-rfm98-lora-packet-padio-breakouts/overview

Librería para los módulos RFM69: https://github.com/LowPowerLab/RFM69

IMPORTANTE: Los módulos RFM69 no son LoRa y no son compatibles con los módulos RFM95/RFM96. Además los módulos RFM95/RFM96 necesitan de una librería de terceros.

Más información RFM69:

Uso con Lora: https://lowpowerlab.com/guide/moteino/lora-support/

Librería para los módulos LoRa RFM95 (868-915mhz) and RFM96 (433mhz).: http://www.airspayce.com/mikem/arduino/RadioHead/index.html

Getting started para instalar el soporte y las librerías: https://lowpowerlab.com/guide/moteino/programming-libraries/

Github: https://github.com/LowPowerLab y Librería: https://github.com/LowPowerLab/Moteino

Comprar Moteino:https://lowpowerlab.com/shop/

Moteino weather shield: https://lowpowerlab.com/2016/09/09/weathershield-r2-released/ with a BME280 which includes all Temperature/Humidity/Pressure readings all in 1 sensor.

Moteino PowerShield: https://lowpowerlab.com/guide/powershield/

Gateway LoRa con Moteino + Raspberry Pi:

Dragino

En Dragino http://www.dragino.com/ podemos encontrar Hardware para LoRa: http://www.dragino.com/products/products-list.html

Wiki: http://wiki.dragino.com/index.php?title=Main_Page

La librería recomendada es: https://github.com/matthijskooijman/arduino-lmic, pero puede usarse la librería Radiohead: http://www.airspayce.com/mikem/arduino/RadioHead/

LoRa Shield:

Otro HW LoRa compatible con Arduino

Existen más HW de desarrollo compatible con Arduino con módulos LoRa diferentes:

Gateways LoRa

En las redes LoRaWan un gateway es un dispositivo dentro de la arquitectura de red que recibe los datos transmitidos por un dispositivo de nodo final y que reenvían los paquetes de datos a un servidor de red centralizado. Los datos de un nodo final LoRa pueden ser recibidos por múltiples puertas de enlace (gateway),

Los gateways o puertas de enlace son un puente transparente entre los dispositivos finales y el servidor de red central. Uno o más dispositivos finales se conectan a una o más puertas de enlace, mediante una conexión inalámbrica de un solo salto, usando tecnología RF LoRa™ o FSK, formando así una red en estrella.

Una o más puertas de enlace se conectan al servidor de red central por medio de conexiones IP estándar, formando así una red en estrella. Las comunicaciones entre los dispositivos y el servidor de red, son generalmente unidireccionales o bidireccionales, pero el estándar también soporta multidifusión, permitiendo la actualización de software en forma inalámbrica, u otras formas de distribución de mensajes en masa.

Los gateways son enrutadores equipados con un concentrador LoRa, lo que les permite recibir paquetes LoRa. Por lo general, puede encontrar dos tipos de puertas de enlace:

  • Las pasarelas se ejecutan con un firmware mínimo, por lo que son de bajo costo y fáciles de usar (por ejemplo, The Things Gateway) y solo ejecutan el software de reenvío de paquetes.
  • Gateways que ejecutan un sistema operativo, para el cual el software de reenvío de paquetes se ejecuta como un programa de fondo (por ejemplo, Kerlink IoT Station, Multitech Conduit). Esto le da más libertad al administrador del gateway para administrar su puerta de enlace e instalar su propio software.

Una forma de montar un gateway LoRa barato es con una Raspberry Pi y un hat de Moteino con un módulo LoRa:

Un gateway simple con LoPy: https://www.hackster.io/bucknalla/lopy-lorawan-nano-gateway-using-micropython-and-ttn-a9fb19

Construir un gateway LoRa barato: http://cpham.perso.univ-pau.fr/LORA/RPIgateway.html

Módulos LoRa para conectar un ordenador y haga de gateway: https://www.cooking-hacks.com/waspmote-gateway-sx1272-lora-sma-4-5-dbi-868-mhz y tutorial LoRa gateway Libelium: http://www.libelium.com/development/waspmote/documentation/lora-gateway-tutorial/

Lista de gateways de loriot: https://www.loriot.io/lora-gateways.html

The things gateway: https://www.thethingsnetwork.org/docs/gateways/gateway/

The Things Gateway permite que dispositivos como sensores y computadoras integradas se conecten a internet. Con un proceso fácil de conectar, está creando el aspecto más sustancial de su red de datos IoT. Active la puerta de enlace en solo 5 minutos y cree su propia red local. Con la capacidad de servir a miles de nodos, la puerta de enlace es el componente principal de su red conectada. Esta versión funciona a 868MHz para uso en la UE y 915Mhz para uso en los EE.UU.

Lista de gateways de thethingsnetwork:

Gateway draguino (open wrt): http://www.dragino.com/products/lora/item/119-lg01-s.html

Ejemplo con Dragino para usarlo como gateway (Lora Shield + Arduino Yun Shield):

Más información:

Librería RadioHead LoRa

Una de las librerías más usadas para módulos LoRa con Arduino es RadioHead: http://www.airspayce.com/mikem/arduino/RadioHead/index.html

Proporciona una biblioteca completa orientada a objetos para enviar y recibir mensajes paquetizados a través de una variedad de radios de datos comunes y otros transportes para microprocesadores integrados.

RadioHead consta de 2 grupos principales de clases: driversy managers.

  • Los drivers proporcionan acceso de bajo nivel a un rango de diferentes radios y otros transportes de mensajes paquetizados.
  • Los managers brindan servicios de envío y recepción de mensajes de alto nivel para una variedad de requisitos diferentes.

Cada programa de RadioHead tendrá una instancia de un driver para proporcionar acceso a la radio o transporte de datos, y generalmente un manager que usa ese driver para enviar y recibir mensajes para la aplicación. El programador debe instanciar un driver y un manager e inicializar el manager. A partir de entonces, las funciones del manager se pueden usar para enviar y recibir mensajes.

También es posible usar un driver por sí mismo, sin un manager, aunque esto solo permite un transporte no confiable y sin dirección a través de las funciones del driver.

Se admite una amplia gama de plataformas de microprocesadores.

Unos ejemplos de drivers:

  • RH_RF69 Works with Hope-RF RF69B based radio modules, such as the RFM69 module
  • RH_NRF24 Works with Nordic nRF24 based 2.4GHz radio modules, such as nRF24L01 and others.
  • RH_RF95 Works with Semtech SX1276/77/78/79, Modtronix inAir4 and inAir9, and HopeRF RFM95/96/97/98 and other similar LoRa capable radios. Supports Long Range (LoRa) with spread spectrum frequency hopping, large payloads etc.
  • RH_Serial Works with RS232, RS422, RS485, RS488 and other point-to-point and multidropped serial connections, or with TTL serial UARTs such as those on Arduino and many other processors, or with data radios with a serial port interface. RH_Serial provides packetization and error detection over any hardware or virtual serial connection. Also builds and runs on Linux and OSX.
  • RHEncryptedDriver Adds encryption and decryption to any RadioHead transport driver, using any encrpytion cipher supported by ArduinoLibs Cryptogrphic Library http://rweather.github.io/arduinolibs/crypto.html

Managers, cualquier manager puede usarse con cualquier driver:

  • RHDatagram Addressed, unreliable variable length messages, with optional broadcast facilities.
  • RHReliableDatagram Addressed, reliable, retransmitted, acknowledged variable length messages.
  • RHRouter Multi-hop delivery of RHReliableDatagrams from source node to destination node via 0 or more intermediate nodes, with manual routing.
  • RHMesh Multi-hop delivery of RHReliableDatagrams with automatic route discovery and rediscovery.

Esta librería es compatible entre otros con:

Para los módulos con moteino que se ha usado en la demo, son necesarios los drivers: http://www.airspayce.com/mikem/arduino/RadioHead/classRH__RF95.html

Si se quiere añadir una capa de seguridad debe usarse la clase: http://www.airspayce.com/mikem/arduino/RadioHead/classRHEncryptedDriver.html

Si se quiere usar direccionamiento debe usarse la clase: http://www.airspayce.com/mikem/arduino/RadioHead/classRHDatagram.html

IMPORTANTE PARA MODULOS LORA, la librería está configurada por defecto a 434: Check if you have set the right frequency:After putting the library in the right place, you have to also modify the frequency to the frequency you want to use, the position of this issetFrequency() in the file: arduino-xxx\libraries\RadioHead\RH_RF95.cpp;

Para los módulos RFM95 de moteino debe ponerse: setFrequency(868.0);

He hecho un fork de la librería con la modificación para módulos LoRa: https://github.com/jecrespo/RadioHead

Proyecto LoRa con Moteino

A la hora de afrontar un proyecto con LoRa para monitorizar un entorno donde no tenemos acceso a una red ethernet/wifi ni toma eléctrica, podemos planteamos usar Moteino como una solución basada en Arduino de bajo consumo y con módulos LoRa integrados.

La primera duda es que módulo de radio o transceiver usar el RFM69 o RFM95:

  • RFM69 no es LoRa usa modulación FSK en lugar de la modulación LoRa
  • RFM95 es LoRa estándar.

RFM69 y RFM95 son módulos de radio para comunicación a larga distancia, donde la velocidad de transmisión no es crítica (no se hace streaming de vídeo). Al usar modulación diferente no son compatibles entre ellos.

Estos módulos de radio vienen en cuatro variantes (dos tipos de modulación y dos frecuencias). Los RFM69 son los más fáciles de usar, y son bien conocidos y entendidos. Las radios LoRa son más potentes, pero también más caros.

Comparativa y explicación de los módulos: https://learn.adafruit.com/adafruit-rfm69hcw-and-rfm96-rfm95-rfm98-lora-packet-padio-breakouts

Transceiver Moteino: https://lowpowerlab.com/guide/moteino/transceivers/

RFM69

Módulo basado en SX1231 con interfaz SPI

  • +13 a +20 dBm hasta 100 mW Capacidad de salida de potencia (salida de potencia seleccionable en software)
  • Drenaje de corriente de 50 mA (+13 dBm) a 150 mA (+20 dBm) para transmisiones, ~ 30 mA durante la escucha de radio activa.
  • Las radios RFM69 tienen un alcance de aprox. Línea de visión de 500 metros con antenas unidireccionales sintonizadas. Dependiendo de las obstrucciones, la frecuencia, la antena y la potencia de salida, obtendrá rangos más bajos, especialmente si no tiene línea de visión.
  • Crear redes multipunto con direcciones de nodo individuales
  • Motor de paquete cifrado con AES-128

Guía completa del módulo de radio RFM69: https://learn.sparkfun.com/tutorials/rfm69hcw-hookup-guide

Librería Arduino RFM69: https://github.com/LowPowerLab/RFM69

Completa información RFM69: http://www.hoperf.com/upload/rf/RFM69W-V1.3.pdf

Explicación de librería RFM69 https://lowpowerlab.com/2013/06/20/rfm69-library/

RFM95

Módulo basado en LoRa® SX1276 con interfaz SPI

  • Capacidad de salida de potencia de +5 a +20 dBm hasta 100 mW (salida de potencia seleccionable en software)
  • ~ 100mA de pico durante la transmisión de + 20dBm, ~ 30mA durante la escucha activa de la radio.
  • Las radios RFM9x tienen un rango de aprox. Línea de visión de 2 km con antenas unidireccionales sintonizadas. Dependiendo de las obstrucciones, la frecuencia, la antena y la potencia de salida, obtendrá rangos más bajos, especialmente si no tiene línea de visión.

Estos son radios de paquete LoRa de +20 dBm que tienen una modulación de radio especial que no es compatible con los RFM69 pero que puede ir mucho más lejos. Pueden ir fácilmente a la línea de vista de 2 km utilizando antenas de cable simples, o hasta 20 km con antenas direccionales y ajustes.

Completa información RFM95: http://www.hoperf.com/upload/rf/RFM95_96_97_98W.pdf

Librería: http://www.airspayce.com/mikem/arduino/RadioHead/

SX127x Datasheet – The RFM9X LoRa radio chip itself

Librería: http://www.airspayce.com/mikem/arduino/RadioHead/

Módulos Moteino Usados

Optamos LoRa porque da entre un 50% y 100% más de alcance.

LoRa support for Moteino: https://lowpowerlab.com/guide/moteino/lora-support/

Todo sobre moteino y como programarlo: https://lowpowerlab.com/guide/moteino/

Los moteino a usar con LoRa son los moteinoLR y mejor moteinoUSB-LoRa que ya tiene el interfaz USB:

Para wireless programming necesitas las flash extra: https://lowpowerlab.com/guide/moteino/wireless-programming/

Gateway

Si queremos conectar a Internet los sensores, necesitamos un gateway.

Gateway con Raspberry Pi:

Otra opción de gateway es usar un shield LoRa de dragino:

Productos de dragino: http://www.dragino.com/products/products-list.html

Cloud

Ya tenemos el nodo y el gateway, nos falta el cloud que podemos hacerlo con muchas plataformas IoT.

Thingspeak: https://thingspeak.com/

Demo LoRa con Moteino

Medición de temperatura remota de forma inalámbrica usando LoRa con un MoteinUSB with flash https://lowpowerlab.com/guide/moteino/. Integración de los datos en un servidor propio https://www.aprendiendoarduino.com/ y en thingspeak https://thingspeak.com/. Se usa un gateway sencillo de reenvio de mensajes usando un Arduino Yun conectado por WiFi a Internet y un shield LoRa http://www.dragino.com/products/lora/item/102-lora-shield.html

Hardware Utilizado en el módulo LoRa

Hardware utilizado en el gateway:

Esta demo consiste en un cliente basado en un moteino alimentado por batería que manda datos de temperatura de una sonda DHT22 a un nodo central que hace de gateway basado en un Arduino Yun con un shield Lora de Draguino.

Cliente

Para empezar con Moteino, lo primero es instalar el soporte para estas tarjetas e instalar las librerías: https://lowpowerlab.com/guide/moteino/programming-libraries/

Luego la guía de programación con el IDE de Arduino: https://lowpowerlab.com/guide/moteino-programming/arduinoide/

Para LoRa usamos el módulo RFM95: https://lowpowerlab.com/guide/moteino/transceivers/ y necesitaremos la librería recomendada que soporta LoRa: https://lowpowerlab.com/guide/moteino/lora-support/. Para estos módulos la librería recomendada es: http://www.airspayce.com/mikem/arduino/RadioHead/index.html, la descargamos e instalamos.

Tomando como base el ejemplo rf95_client de la librería Radiohead modificado para mandar la temperatura de una sonda DHT22 que es un dato de tipo float, en lugar de “Hello World”.

El código del cliente está disponible en: https://github.com/jecrespo/aprendiendoarduino-lora/blob/master/Demo_LoRa/rf95_client/rf95_client.ino

Servidor/Gateway

Se usa un Arduino Yun https://store.arduino.cc/arduino-yun que dispone de conexión ethernet y wifi y para la red LoRa uso un LoRa shield de draguino http://www.dragino.com/products/module/item/102-lora-shield.html

Más información sobre el shield ver este documento: http://wiki.dragino.com/index.php?title=Lora_Shield

Para este shield uso la misma librería: http://www.airspayce.com/mikem/arduino/RadioHead/index.html,

Tomando como base el ejemplo rf95_server de la librería Radiohead modificado para recibir un float y sacarlo por el puerto de consola.

IMPORTANTE: en el ejemplo de rf95_server no usar el pin 9 para el led (int led = 9;) porque el pin 9 se usa como reset en el shield de draguino.

Una vez comprobado que el servidor recibe datos, debe hacer su función de gateway y mandar los datos a una base de datos alojada en https://www.aprendiendoarduino.com/ y poder ver la gráfica en https://www.aprendiendoarduino.com/servicios/datos/graficas.html

Para grabar datos se debe llamar a una API desde el arduino Yun. Uso el HTTP client para mandar datos https://www.arduino.cc/en/Tutorial/HttpClient. De esta forma hace el Arduino Yun + Shield LoRa de Gateway reenviando los datos recibidos por LoRa a un servidor público.

El código del servidor está en https://github.com/jecrespo/aprendiendoarduino-lora/blob/master/Demo_LoRa/rf95_server/rf95_server.ino

Dispositivos Sigfox y Lora recogiendo datos en campo:

Para mandar los datos a thingspeak uso la API y mando los datos llamando a https://api.thingspeak.com/update?api_key=writeapikey&field1=22.8

Está disponible una vista publica de los datos: https://thingspeak.com/channels/440179

Redes LPWAN

Una red de área amplia de baja potencia (LPWAN – Low-Power Wide-Area Network) o red de baja potencia (LPWA – Low-Power Wide-Area) o red de baja potencia (LPN – Low-Power Network) es un tipo de red de área amplia de telecomunicaciones inalámbricas diseñada para permitir comunicaciones de largo alcance a una velocidad de bits baja entre objetos conectados, como sensores operados con una batería. La baja potencia, la baja velocidad de bits y el uso previsto distinguen este tipo de red de una WAN inalámbrica en que la WAN está diseñada para conectar usuarios o empresas, y transportar más datos, utilizando más potencia. La tasa de datos LPWAN varía de 0,3 kbit/s a 50 kbit/s por canal.

Las redes LPWAN trabajan en la banda ISM libres sin necesidad de licencia.

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

Banda ISM

ISM (Industrial, Scientific and Medical) son bandas reservadas internacionalmente para uso no comercial de radiofrecuencia electromagnética en áreas industrial, científica y médica. En la actualidad estas bandas han sido popularizadas por su uso en comunicaciones WLAN (e.g. Wi-Fi) o WPAN (e.g. Bluetooth).

El uso de estas bandas de frecuencia está abierto a todo el mundo sin necesidad de licencia, respetando las regulaciones que limitan los niveles de potencia transmitida. Este hecho fuerza a que este tipo de comunicaciones tengan cierta tolerancia frente a errores y que utilicen mecanismos de protección contra interferencias, como técnicas de ensanchado de espectro

Espectro electromagnético:

Más información:

Bandas ISM:

Frecuencias de LoRa:

En Europa, la banda de 863 a 870 MHz ha sido asignada para operación sin licencia usando FHSS, DSSS o modulación analógica con un ciclo de transmisión de 0.1%, 1% o 10% dependiendo de la banda, o Listen Before Talk (LBT) con Adaptive Frequency Agility (AFA). Aunque esta banda pertenece al rango de dispositivos de corto alcance, se está utilizando en redes de telecomunicaciones inalámbricas de red de área extensa de baja potencia (LPWAN), diseñadas para permitir comunicaciones de largo alcance a una velocidad de bits baja entre objetos (objetos conectados).

Dentro de las bandas libres existen varias posibilidades:

  • Banda 2,4 GHz usando WiFi, Bluetooth o Zigbee.
  • Banda 5 GHz usado WiFi
  • Banda de 868 MHz con opción de usar Zigbee, LoRa o Sigfox
  • Banda de 434 MHz.
  • Frecuencias RFID (13,56 MHz, 125 kHz, etc).

El standard de 868 MHz porque ofrece unas características superiores en cuanto al alcance (es 2 o 3 veces mayor que los standards mencionados anteriormente en la banda de 2,4 GHz). El coste de la implementación es relativamente bajo. El consumo de energía es bajo.

La versión de 868 MHz no está disponible en todo el mundo. En los EEUU se requiere una banda de 915 MHz. El hardware para ambos standards es idéntico sin embargo requieren versiones de software distintas.

La banda de 433 MHz es ligeramente mejor respecto al alcance pero no garantiza una transmisión segura de los datos. Debido a que muchos dispositivos trabajan en esta banda, especialmente controles remotos, es frecuente que se produzcan perturbaciones en la transmisión.

868 vs 433: http://www.hkvstar.com/technology-news/433mhz-or-868mhz-wireless-alarm-system-what-s-the-difference.html

Las frecuencias RFID no sirven para medidas de temperatura ya que presentan un alcance muy reducido. Estas frecuencias se suelen utilizar en etiquetas pasivas donde el alcance está limitado a menos de un metro.

LoRa es una modulación patentada dentro de la banda ISM de 868 MHz.

La radio sub-GHz no está diseñada para transmitir audio o video. Se usa mejor para pequeños paquetes de datos. La velocidad de datos es ajustable, pero es común mantener alrededor de 19.2 Kbps. Las velocidades de datos más bajas tendrán más éxito en sus transmisiones.

LPWAN

Una red de área amplia de baja potencia (LPWAN – Low-Power Wide-Area Network) o red de baja potencia (LPWA – Low-Power Wide-Area) o red de baja potencia (LPN – Low-Power Network) es un tipo de red de área amplia de telecomunicaciones inalámbricas diseñada para permitir comunicaciones de largo alcance a una velocidad de bits baja entre objetos conectados, como sensores operados con una batería. La baja potencia, la baja velocidad de bits y el uso previsto distinguen este tipo de red de una WAN inalámbrica en que la WAN está diseñada para conectar usuarios o empresas, y transportar más datos, utilizando más potencia. La tasa de datos LPWAN varía de 0,3 kbit/s a 50 kbit/s por canal.

Una LPWAN se puede usar para crear una red privada de sensores inalámbricos, pero también puede ser un servicio o infraestructura ofrecida por un tercero, lo que permite a los propietarios de sensores implementarlos en el campo sin invertir en tecnología ni infraestructura.

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

Hay una serie de estándares y proveedores que compiten en el espacio LPWAN, el más destacado de los cuales incluye:

  • LoRa: LoRa es una tecnología patentada de modulación de radio de espectro expandido (CSS) para LPWAN utilizada por LoRaWAN, Haystack Technologies y Symphony Link.
  • LoRaWan: LoRaWAN es un protocolo de capa de control de acceso a medios para gestionar la comunicación entre las pasarelas LPWAN y los dispositivos de nodo final, mantenidos por LoRa Alliance.
  • Ultra Narrow Band (UNB): UNB, Ultra Narrow Band, tecnología de modulación utilizada por LPWAN por varias compañías entre ellas Sigfox
  • Otros: DASH7, MySensors, NarrowBand IoT (NB-IoT), etc…

Comparativa LPWAN:

Mercado LPWAN:

El ecosistema LPWAN comprende proveedores como Semtech Corporation (EE. UU.), LORIOT (Suiza), NWave Technologies (Reino Unido), SIGFOX (Francia), WAVIoT (Texas, EE. UU.), Actility (Francia), Ingenu (San Diego, EE. UU.) , Link Labs (Maryland, EE. UU.), Weightless SIG, y Senet, Inc. (Portsmouth, Reino Unido), ResIOT (Italia) y otros como proveedores de servicios y empresas. Otras partes interesadas en el mercado de redes LPWAN incluyen operadores de telecomunicaciones como Vodafone (U.K.) y Orange (Francia), entre otros, que integran estos dispositivos inteligentes y los venden a los usuarios finales para satisfacer sus requisitos comerciales únicos.

Más información LPWAN (área extensa de baja energía):

LoRaWAN

LoRaWAN es una especificación para redes de baja potencia y área amplia, LPWAN (en inglés, Low Power Wide Area Network) propuesta por la LoRa Alliance, diseñada específicamente para dispositivos de bajo consumo de alimentación, que operan en redes de alcance local, regional, nacionales o globales. La especificación cubre las capas PHY y MAC de la red, dejando a las aplicaciones el resto de capas. En la banda ISM de 868MHz (915 MHz en otras regiones), con un bitrate de hasta decenas de kbps (de 0.3 kbps hasta  50 kbps).

El estándar de red LoRaWAN apunta a requerimientos característicos de Internet de las Cosas, tales como conexiones bidireccionales seguras, bajo consumo de energía, largo alcance de comunicación, bajas velocidades de datos, baja frecuencia de transmisión, movilidad y servicios de localización. Permite la interconexión entre objetos inteligentes sin la necesidad de instalaciones locales complejas, y además otorga amplia libertad de uso al usuario final, al desarrollador y a las empresas que quieran instalar su propia red para Internet de las Cosas.

La red LoRaWAN (Long Range) es interesante por:

  • Consume tan poco que permite que los dispositivos puedan funcionar años con batería. Para conseguir esto se activa de forma periódica.
  • Tiene un gran alcance que permite llegar a los equipos de difícil acceso (garajes, sótanos, montañas)
  • Ser una red bidireccional
  • Velocidades de datos desde 0.3 kbps a 50 kbps
  • LoRa es una tecnología de comunicación muy interesante en el ámbito IoT.

Elementos en una red LoRa:

  • Dispositivo LoRa
  • Gateway o Pasarela
  • Red IP pública – Cloud
  • Servicios

La arquitectura de red típica, es una red de Redes en Estrella, de forma que la primera estrella está formada por los dispositivos finales y las puertas de enlace, y la segunda estrella está formada por las puertas de enlace y un servidor de red central. En este caso las puertas de enlaces son un puente transparente entre los dispositivos finales y el servidor de red central. Uno o más dispositivos finales se conectan a una o más puertas de enlace, mediante una conexión inalámbrica de un solo salto, usando tecnología RF LoRa™ o FSK, formando así una red en estrella.

Una o más puertas de enlace se conectan al servidor de red central por medio de conexiones IP estándar, formando así una red en estrella. Las comunicaciones entre los dispositivos y el servidor de red, son generalmente unidireccionales o bidireccionales, pero el estándar también soporta multidifusión, permitiendo la actualización de software en forma inalámbrica, u otras formas de distribución de mensajes en masa.

La comunicación entre dispositivos finales y las puertas de enlace se hacen en diferentes canales de frecuencias y a distintas velocidades de datos. La selección de la velocidad de datos es un compromiso entre la distancia de alcance, y la duración y consumo de energía del mensaje.

Las velocidades de datos se encuentran en el rango de 0.3 kbps a 50 kbps. Para maximizar en forma conjunta la duración de la batería de los dispositivos finales y la capacidad de la red, el servidor central LoRaWAN maneja la velocidad de datos para cada dispositivo en forma individual, por medio de un esquema adaptativo de velocidad de datos (o ADR, adaptive data rate en inglés).

Más información: https://es.wikipedia.org/wiki/LoRaWAN

LoRaWAN es un protocolo de capa de control de acceso a medios para gestionar la comunicación entre las pasarelas LPWAN y los dispositivos de nodo final, mantenidos por LoRa Alliance.

LoRaWAN define el protocolo de comunicación y la arquitectura del sistema para la red, mientras que la capa física LoRa habilita el enlace de comunicación de largo alcance. LoRaWAN también es responsable de gestionar las frecuencias de comunicación, velocidad de datos y potencia para todos los dispositivos. Los dispositivos en la red son asincrónicos y transmiten cuando tienen datos disponibles para enviar. Los datos transmitidos por un dispositivo de nodo final son recibidos por múltiples puertas de enlace (gateway), que reenvían los paquetes de datos a un servidor de red centralizado. El servidor de red filtra paquetes duplicados, realiza comprobaciones de seguridad y administra la red. Los datos se envían a los servidores de aplicaciones.

Las principales características de LoRaWAN son:

  • Topología estrella
  • Alcance de 10 a 15km en línea de vista
  • Encriptación AES 128
  • Soporte para 3 clases de nodos
  • Administración de dispositivos
  • Redes públicas y privadas
  • Bajo consumo y largo alcance
  • Baja transferencia de datos (hasta 242 bytes)

Algunas plataformas basadas en LoRaWAN incluyen:

  • Globalsat, both a public LoRaWAN and private LoRa Nodes solution provider for WW, include Europe, US, Asia region and Japan market
  • ThingsConnected, a free platform provided by the UK Digital Catapult
  • iFrogLab, public LoRaWAN and LoRa provider for North America and Taiwan
  • IoT-X, platform from Stream Technologies for public and private networks
  • ResIOT.io, platform for private, public networks and IoT projects
  • OpenChirp, open management layer on top of LoRaWAN, developed at Carnegie Mellon University, for data context, storage, visualization, and access control.The primary objective is to simplify the experience of adding and operating new devices in the network, as well as improving performance for communities that share bandwidth and locality.
  • The Things Network, a free and open-source LoRaWAN network provider developed and supported by a worldwide community. https://www.thethingsnetwork.org/
  • Everynet, provides a platform and gateways for Lora use in the Americas, Europe, China.
  • ThingPark Wireless, platform from Actility based on LoRaWAN
  • Senet, public LoRaWAN provider in North America
  • Un operador de LoRaWAN que ofrece gateways y un plataforma cloud es LORIOT: https://www.loriot.io/

Redes LoRaWan en Korea y Holanda: https://www.rcrwireless.com/20160704/carriers/operators-korea-netherlands-deploy-lora-networks-iot-tag23

Lora Alliance:

The things network (TTN)

The Things Network está construyendo una red para el Internet de las cosas mediante la creación de abundante conectividad de datos. La tecnología utilizada es LoRaWAN y permite que las cosas hablen a Internet sin 3G o WiFi. No hay códigos WiFi ni suscripciones a dispositivos móviles. Presenta bajo consumo de batería, largo alcance y bajo ancho de banda. Perfecto para Internet de las cosas.

The Things Network (TTN) es una iniciativa basada en la comunidad para establecer una red global de IoT. La iniciativa fue lanzada por Wienke Giezeman en 2015 y actualmente cubre más de 3.000 pasarelas LoRaWAN instaladas en más de 90 países. Los voluntarios se encargan de la construcción, el cuidado y el pago de los portales.

En Amsterdam, ha sido posible cubrir gran parte del área urbana en solo unas pocas semanas. Los Países Bajos ya están ampliamente abastecidos con TTN. Lo mismo se aplica a Zurich, Berna y Berlín. En Berlín, se necesitaron solo nueve meses para brindar acceso a LoRaWAN a aproximadamente 3,500,000 personas.

Más de 30,000 voluntarios de todo el mundo participan ahora en la creación del “Internet de las cosas” (IoT) en red más grande del mundo.

Más información:

Interesante artículo sobre el uso de TTN con MQTT:  https://sandervandevelde.wordpress.com/2016/07/09/access-the-things-network-telemetry-using-c-m2mqtt/

Web: https://www.thethingsnetwork.org/

The things gateway: https://www.thethingsnetwork.org/docs/gateways/gateway/

Lista de gateways de thethingsnetwork:

Productos de the things network: https://www.element14.com/community/docs/DOC-83471

Wiki: https://www.thethingsnetwork.org/wiki/Hardware/Gateways/Home

Más información:

LoRa

LoRa es un nuevo esquema de modulación para radios de baja potencia. Está patentado, por lo que hay algo de información disponible. Pero también es propietario, lo que significa que necesita una licencia para producir un chip de radio que use la codificación. LoRa se comercializa como una red de área amplia para Internet de las cosas.

LoRa es una tecnología patentada (EP2763321 de 2013 y US7791415 de 2008) desarrollada por Cycleo (Grenoble, Francia) y adquirida por Semtech en 2012. LoRa utiliza bandas de frecuencia de radio subgigahertz sin licencia como 169 MHz, 433 MHz, 868 MHz (Europa) y 915 MHz (América del Norte).

El formato de modulación de LoRa puede ser generado por piezas Semtech LoRa, incluidos los chips transceptores SX1272 y SX1276. Es una forma económica y eficiente de obtener ganancia de procesamiento en un pequeño transceptor a escala de chip. Funciona con una familia de chips de estación base altamente integrados (SX1301 y SX1257) con alta capacidad, por lo que puede usarla para construir redes punto a multipunto bastante sofisticadas. Más información en https://www.link-labs.com/blog/what-is-lora

La tecnología LoRa de Semtech ofrece características excepcionales como alta sensibilidad de recepción y modulación de espectro ensanchado que permite a estas radios aumentar drásticamente el rango a bajas tasas de bits, mientras sigue funcionando con una potencia de salida de batería (20dBm / 100mW) y modo de reposo de potencia ultrabaja. Estas radios también son compatibles con las modulaciones FSK, pero están destinadas a ser utilizadas con la tecnología de modulación LoRa (Long Range).

Transceivers de LoRa: https://www.semtech.com/products/wireless-rf/lora-transceivers

LoRa es el tipo de modulación en radiofrecuencia patentado por Semtech y que entre sus principales ventajas se encuentra:

  • Alta tolerancia a las interferencias
  • Alta sensibilidad para recibir datos (-168dB)
  • Basado en modulación chirp
  • Bajo Consumo (hasta 10 años con una batería*)
  • Largo alcance 10 a 20km
  • Baja transferencia de datos (hasta 255 bytes)
  • Conexión punto a punto
  • Frecuencias de trabajo: 915Mhz América, 868 Europa, 433 Asia

LoRa quizá sea más adecuada para usar en aplicaciones discretas como edificios inteligentes o campus donde uno es necesaria una red celular. LoRaWAN se refiere a redes públicas amplias basadas en LoRa.

Moteino son una placas basadas en Arduino pensadas para bajo consumo con LoRa: https://lowpowerlab.com/guide/moteino/lora-support/

LoRa vs Zigbee: http://www.rfwireless-world.com/Terminology/LoRa-vs-Zigbee.html

LoRaWan vs Sigfox

Lora pros:

  • De uso gratuito, puede configurar su propia red
  • Envía tantos mensajes como quieras, a buenas velocidades de hasta 50 Kb/s
  • Alcance muy largo (algunos kilómetros en ciudades, hasta 40 km en áreas rurales con antenas direccionales)
  • Bastante poca potencia, dependiendo de la amplificación de su radio, no tan baja como BTLE pero mucho mejor que la celular
  • Coger y elegir la frecuencia que legalmente está permitido usar

Lora contras:

  • Debe administrar su propia red y gateways
  • Chips solo disponibles de SemTech, y bajo patente

Sigfox pros:

  • Red de backend incluida
  • Alcance muy largo (algunos kilómetros en ciudades, hasta 40 km en áreas rurales con antenas direccionales)
  • Muy poca potencia

Sigfox contras

  • Servicio pago por suscripción
  • Ultra lento: 100 bytes / seg
  • No disponible en todas partes, comprobar cobertura https://www.sigfox.com/en/coverage
  • Limite mensajes de subida de 140 x 12 bytes y mensajes de descarga de 4 x 8 bytes al día.
  • Frecuencia fija por ubicación

Buena explicación de Adafruit para LoRa y Sigfox: https://learn.adafruit.com/alltheiot-transports/lora-sigfox

Más información de sigfox y lora https://www.linkedin.com/pulse/iot-how-connect-devices-vasco-barreiros

Interesante: https://austinstartups.com/carriers-aim-to-crush-lora-sigfox-and-others-4d38adc8cc32

Transceivers LoRa

Existen muchos módulos LoRa disponibles en el mercado que podemos usar con Arduino usando las librerías que nos proporcionan.

Semtech

Semtech fabrica diversos módulos LoRa. Los módulos Lora de Semtech son: https://www.semtech.com/products/wireless-rf/lora-transceivers y los gateways: https://www.semtech.com/products/wireless-rf/lora-gateways

El SX1272 es un módulo de Semtech LoRa https://www.semtech.com/products/wireless-rf/lora-transceivers/SX1272

Datasheet: https://www.semtech.com/uploads/documents/sx1272.pdf

Otros módulos de Semtech: https://www.semtech.com/products/wireless-rf

Microchip

Microchip fabrica diversos módulos LoRa RN2903 y RN2483. Ver https://www.microchip.com/design-centers/wireless-connectivity/low-power-wide-area-networks/lora-sup-reg-sup-technology

Comprar: https://www.digikey.es/es/product-highlight/m/microchip-technology/rn2903-and-rn2483-rf-transceiver-modules

Módulo LoRa de Microchip:

Datasheet:

Es un excelente módulo que implementa completamente la pila LoRaWAN. El microcontrolador se comunica con él a través de USART con una estructura de comando simple para configurarlo y enviar / recibir mensajes. El módulo también tiene varios pines GPIO disponibles. Este es el módulo preferido en The Things Network, y hay muchos excelentes proyectos de ejemplo y códigos en Internet para ayudarlo a comenzar.

Hoperf

Hoperf fabrica diversos módulos Lora:http://www.hoperf.com/rf_transceiver/lora/

Los módulos de RFM son pequeños y baratos, lo cual es ideal para proyectos de IoT. Sin embargo, tienen una limitación si desea usarlos con LoRaWAN: la pila no está implementada en el módulo, dejando esa carga al microcontrolador. La pila LoRaWAN requiere bastante espacio de código y es difícil de implementar en algunos microcontroladores de 8 bits.

RFM95W: http://www.hoperf.com/rf_transceiver/lora/RFM95W.html

RFM96W: http://www.hoperf.com/rf_transceiver/lora/RFM96W.html

RFM98W: http://www.hoperf.com/rf_transceiver/lora/RFM98W.html

Datasheet módulos LoRa: http://www.hoperf.com/upload/rf/RFM95_96_97_98W.pdf

Estos son los módulos usados por Moteino: https://lowpowerlab.com/guide/moteino/

Hoperf fabrica otros módulos Sub-GHz como el RFM69 que no usanLora: http://www.hoperf.com/rf_transceiver/

Placa con RFM95/96(W):

LoRa Shield como módulo RFM: https://www.seeedstudio.com/Dragino-LoRa-Shield-support-433M-frenquency-p-2672.html

Otros

Existen otros fabricante de módulos Lora como: