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Itinerario Formación IoT/Industria 4.0

En un acercamiento a esta disciplina, se busca conocer las tecnologías necesarias para el desarrollo de soluciones IoT/Industria Conectada y valiéndonos para ello de herramientas, tecnologías, protocolos y software libre/open source que hay a nuestra disposición, de forma que cualquier empresa por pequeña que sea pueda hacer un proyecto sencillo de IoT/Industria 4.0 con una inversión mínima, sea cual sea el sector al que pertenezca.

No solo las grandes empresas pueden dar el salto a IoT, la tecnologías libres permiten que sea factible la digitalización de las pymes con una inversión económica mínima y que surja la innovación desde las propias empresas con una formación adecuada a sus trabajadores.

Fundamentos IoT (Nivel 1)20 h
Dispositivos HW IoT (Nivel 2)20 h
Infraestructuras IoT (Nivel 3)20 h
Conectividad IoT (Nivel 3)20 h
Plataformas IoT (Nivel 4)20 h
Desarrollo Soluciones IoT con Herramientas Libres (Nivel 5)20 h

Ver Anexo I con el material necesario para impartir los cursos de este itinerario.

Fundamentos IoT (Nivel 1)

Objetivo

Describir los fundamentos de Internet de las Cosas e identificar los distintos mercados a los que el alumno puede orientar su actividad profesional.

Dado que las comunicaciones, la conexión a Internet y los dispositivos conectados es un aspecto importante actualmente y los conceptos de computación y comunicaciones van unidos de la mano cuando hablamos de las TIC (Tecnologías de la Información y de la Comunicación), vamos a tratar también en este curso las comunicaciones y la programación de los dispositivos conectados.

Toda la documentación del curso y el código usado es libre y accesible desde https://www.aprendiendoarduino.com/.

Al finalizar el curso el alumno será capaz de:

  • Conocer qué es IoT
  • Reconocer las tecnologías y arquitecturas de IoT
  • Capas en IoT
  • Saber los retos de IoT
  • Importancia de la seguridad den IoT
  • Empresas en IoT
  • Conocer los mercados verticales de IoT
  • Saber los servicios que ofrece IoT

Requisitos Alumnos

No son necesarios requisitos previos de los alumnos para asistir a este curso

Contenido del Curso

  • Qué es el IoT. Visión Holística
  • Ecosistema IoT
  • Retos de IoT
  • Industria 4.0. IIoT
  • Empresas en IoT
  • Mercados Verticales IoT
  • Campos Profesionales IoT
  • Aplicaciones IoT

Dispositivos HW IoT (Nivel 2)

Objetivo

Visión general del HW en el ecosistema IoT y puesta en práctica. Identificar la solución Hardware y Firmware más correcta para un proyecto IoT.

Analizar el hardware y el firmware utilizado dentro el ecosistema IoT y programar algunas las plataformas de prototipado más populares del mercado

Toda la documentación del curso y el código usado es libre y accesible desde https://www.aprendiendoarduino.com/.

Al finalizar el curso el alumno será capaz de:

  • Conocer las plataformas HW IoT 
  • Conocer el firmware usado en las plataformas HW
  • Identificar la solución Hardware y Firmware más correcta para un proyecto IoT
  • Utilizar plataformas de prototipado IoT

Requisitos Alumnos

Haber cursado el módulo de Fundamentos IoT o tener experiencia en HW y Firmware IoT.

Contenido del Curso

  • Dispositivos IoT
  • HW IoT Industrial
  • Firmware: SW de los dispositivos
  • Plataforma de Prototipado
  • Prácticas Firmware
  • HW IoT Comercial

Infraestructuras de Comunicaciones IoT (Nivel 3)

Objetivo

Visión detallada de las infraestructuras y conectividad en IoT con ejemplos prácticos en algunas tecnologías. El alumno será capaz de analizar las necesidades de una solución IoT, ofrecer la mejor solución e implementarla. 

Utilizar las Infraestructuras de comunicación que se usan hoy en día para IoT

Toda la documentación del curso y el código usado es libre y accesible desde https://www.aprendiendoarduino.com/.

Al finalizar el curso el alumno será capaz de:

  • Conocer las diferentes infraestructuras de comunicaciones IoT disponibles en el mercado
  • Comparar las tecnologías inalámbricas y saber elegir la más adecuada dependiendo del proyecto.
  • Ofrecer e implantar soluciones IoT a nivel de conectividad e infraestructuras IoT a partir del análisis de necesidades del proyecto
  • Utilizar algunas de las comunicaciones con placas de prototipado como Arduino y ESP8266

Requisitos Alumnos

Haber cursado el módulo de Fundamentos IoT o tener experiencia en infraestructuras y conectividad IoT.

Contenido del Curso

  • Conectividad IoT
  • Redes Inalámbricas IoT
  • Infraestructura de Comunicación IoT
  • Prácticas de Comunicaciones IoT

Conectividad IoT (Nivel 3)

Objetivo

Visión detallada de las infraestructuras y conectividad en IoT con ejemplos prácticos en algunas tecnologías. El alumno será capaz de analizar las necesidades de una solución IoT, ofrecer la mejor solución e implementarla. 

Analizar los protocolos más populares para dotar de conectividad a los dispositivos IoT y configurar el software

Toda la documentación del curso y el código usado es libre y accesible desde https://www.aprendiendoarduino.com/.

Al finalizar el curso el alumno será capaz de:

  • Conocer los protocolos más populares usados en IoT
  • Profundizar en el protocolo HTTP y el uso de API REST
  • Profundizar en el protocolo MQTT y su uso en aplicaciones IoT
  • Instalar, configurar y usar un broker MQTT
  • Ofrecer e implantar soluciones IoT a nivel de conectividad e infraestructuras IoT a partir del análisis de necesidades del proyecto

Requisitos Alumnos

Haber cursado el módulo de Fundamentos IoT o tener experiencia en infraestructuras y conectividad IoT.

Contenido del Curso

  • Protocolos IoT
  • Protocolo HTTP
  • Uso de API REST
  • Protocolo MQTT
  • Práctica MQTT

Plataformas IoT (Nivel 4)

Objetivo

Visión general de las plataformas IoT y trabajo detallado en algunas de ellas. Proponer, instalar y configurar la plataforma más adecuada para el desarrollo de soluciones IoT.

Analizar las  las plataformas existentes en IoT e instalar y configurar alguna de las más utilizadas.

Toda la documentación del curso y el código usado es libre y accesible desde https://www.aprendiendoarduino.com/.

Al finalizar el curso el alumno será capaz de:

  • Conocer las plataformas IoT Generalistas y especializadas más usadas
  • Conocer plataformas open source, instalar y configurar en un servidor
  • Encontrar la plataforma adecuada para una solución IoT, instalación y configuración
  • Programar servicios usando Node-Red
  • Uso de Bases de Datos para almacenamiento de datos
  • Configuración y uso de Dashboards
  • Analizar datos de forma visual

Requisitos Alumnos

Haber cursado el módulo de Fundamentos IoT o tener experiencia en plataformas IoT.

Contenido del Curso

  • Plataformas Cloud Generalistas
  • Plataformas Cloud Especializadas
  • Práctica de Plataformas Cloud
  • Plataformas Privadas/Libres
  • Práctica Plataformas Privadas/Libres
  • Servicios IoT
  • Node-Red
  • Bases de Datos
  • Dashboards
  • Ejemplos prácticos IoT

Desarrollo Soluciones IoT con Herramientas Libres (Nivel 5)

Objetivo

Este curso pretende unificar todos los conocimiento adquiridos en los anteriores cursos del itinerario IoT para hacer un proyecto “full stack” de IoT.

Unificar los conocimientos adquiridos en los otros cursos, identificar necesidades reales con respuestas desde el IoT y desarrollar una solución específica para una necesidad.

Toda la documentación del curso y el código usado es libre y accesible desde https://www.aprendiendoarduino.com/.

Al finalizar el curso el alumno será capaz de:

  • Proponer e implementar soluciones IoT como respuesta a necesidades específicas
  • Desarrollar un proyecto IoT  estructurado según las fases relacionadas en cada módulo  que de respuesta a una necesidad real del entorno del alumno

Requisitos Alumnos

Los alumnos deberán haber cursado todos los cursos del itinerario IoT o tener experiencia en el desarrollo de soluciones IoT

Contenido del Curso

  • Repaso de conceptos
  • Ejemplo de soluciones IoT Completas
  • Identificación de necesidades
  • Presentación preliminar
  • Desarrollo del Proyecto
  • Presentación del Proyecto

Tecnologías IoT

Pensando en los actores que participan en el ecosistema IoT se pueden identificar las siguientes tecnologías

Dispositivos Hardware, son los dispositivos que van a medir y los que van a interactuar con el exterior.

  • Arduino
  • ESP8266, HW low cost con wifi
  • Otras plataformas HW para IoT: https://www.postscapes.com/internet-of-things-hardware/
  • HW y conectividades de http://www.libelium.com/ son de Zaragoza y tienen buenas formaciones.
  • Diseño de HW como Eagle o KiCad, es el siguiente paso de Arduino a una personalización del HW
  • Android Things es una adaptación del Sistema Operativo Android para dispositivos que los desarrolladores quieran convertir en Inteligentes. Android Things, sistema operativo y development kit para HW de IoT https://developer.android.com/things/
  • RTOS sistemas operativos en Tiempo real para sistemas embebidos, generalmente basados en linux.
  • Autómatas o PLCs para la parte industrial y SoftPLCs

Conectividad, tecnologías para conectar el HW con Internet o una red

  • Zigbee
  • Sigfox
  • LoWaRan, LPWA
  • Bluetooth/wifi/NFC/ANT+ y beacons
  • Seguridad en la comunicaciones, es un de los retos de IoT
  • nRF24L01 is a highly integrated, ultra low power (ULP) 2Mbps RF transceiver IC for the 2.4GHz ISM (Industrial, Scientific and Medical) band.

Protocolos de comunicación, con los que comunicar el HW con el SW

  • Fiware
  • MQTT
  • API REST/HTTP
  • SNMP
  • Buses de campo industriales, modbus, etc…

Plataformas IoT,  para tratar los datos recogidos por nuestros sensores y almacenarlos. Estas plataformas tienen un HW y el SW que usan:

Encuesta: https://blogs.eclipse.org/post/benjamin-cab%C3%A9/key-trends-iot-developer-survey-2018

Servicios IoT, son los servicios que ofrecen las plataformas

  • Machine learning, inteligencia artificial en los dispositivos
  • Smart Metering
  • Open Data
  • Dashboards/Cuadros de mando
  • Almacenamiento de datos
  • Análisis de Datos
  • Visualización de Datos

Ejemplos de empresas en el ecosistema IoT:

Áreas involucradas en IoT

  • Electrónica
  • Desarrollo de HW embebido
  • Desarrollo de SW
  • Redes informáticas y de telecomunicaciones
  • Administración de sistemas
  • Sistemas de información, BDDs
  • Desarrollo web, cloud computing
  • Seguridad informática
  • Big data: dashboards, análisis de datos, procesamiento de datos, etc.
  • Dominio del campo aplicado: electricidad, electrónica de control, mecánica, física, mecatrónica, medicina, agronomía, etc.
  • Desarrollo de producto
  • etc…

Recursos open source IoT:

Ecosistema IoT

¿Cómo Conectar a Internet una Tostadora?

Veamos un resumen de los elementos que necesitamos para conectar un dispositivo a Internet y hacer un proyecto de IoT completo.

Supongamos que quiero conectar mi tostadora a Internet y hacer un sistema que conecte mi coche con la tostadora y cuando me acerque a casa ponga en funcionamiento la tostadora y además me informe en el móvil que la tostadora se pone un funcionamiento y me indique la temperatura de la tostadora.

Lo primero que necesito es un sensor para medir la temperatura y un actuador que encienda la tostadora. Para poder leer el sensor y poder manejar el actuador necesitaré un microcontrolador con entradas (sensor) y salidas (actuador), por ejemplo, un Arduino.

Ahora ya puedo leer los datos de la tostadora y encenderla, el siguiente paso es conectarla a Internet.

Primero necesito acceso a Internet (conectividad), puedo usar ethernet, pero ¿Quien tiene una toma de red en la cocina?

Mejor usando comunicaciones inalámbricas como: wifi, bluetooth, redes móviles, XBee, etc…

Una vez tenemos conectividad, necesitamos un protocolo de comunicación para comunicar los datos y las órdenes entre los distintos dispositivos.

  • HTTP REST

  • MQTT

Supongamos tenemos nuestra tostadora con un Arduino integrado y un chip WiFi. Hay dos formas en la que pueden hablar entre el geolocalizador del coche y nuestra tostadora.

  • Tener uno de los dispositivos trabajando como servidor con una dirección IP, de forma que el otro dispositivo se pueda conectar en cualquier momento.
  • Tener un tercer servidor y tanto la tostadora como el coche se conecten al servidor y este mande mensajes a uno y otro.

La opción 1 es la más barata al no necesitar un elemento extra, pero al menos uno de los dispositivos necesita una IP pública conocida y fija, además hay que abrir puertos en el router de casa lo que supone una dificultad adicional y un punto más en la seguridad.

En la opción 2 el servidor maneja los mensajes, en el caso de MQTT se trata del broker. Es un elemento neutral al que las “cosas” se pueden conectar para enviar y recibir mensajes.

Adicionalmente podemos tener una plataforma que almacene datos y luego podamos visualizarlos, analizarlos, hacer cuadros de mando o interactuar con otras plataformas o servicios de terceros.

Elementos que Intervienen en el Ecosistema IoT

Explicación gráfica de los elementos necesarios en IoT: http://www.libelium.com/products/meshlium/wsn/

En resumen, al hacer un proyecto IoT debemos hacernos estas preguntas:

  • Qué quieres medir?
  • Cómo lo quieres conectar?
  • Qué quieres hacer con los datos?

Elementos en IoT:

  • Plataformas Software, para tratar los datos recogidos por nuestros sensores y almacenarlos. Pueden ser plataformas de terceros o plataformas propias desarrolladas por nosotros o simplemente guardar en BBDD propias. Por ejemplo: Carriots, Thingspeak, Temboo, Thinger, etc…
    Además todas estas plataformas SW que están en la nube, deben estar soportadas por un HW de servidores, unas BBDD de gran capacidad y una infraestructura segura que los hospede.
  • Servicios, son los servicios que ofrecen las plataformas como mostrar los datos recogidos, mandar avisos cuando se detecte un evento o la interconexión con otras plataformas o simplemente. Servicios ofrecidos por la plataforma carriots: https://www.carriots.com/que-es-carriots

Sensor — MCU — Comunicación — Protocolo — Plataforma — Servicios

Uno de los retos del IoT es mandar datos de cualquier sensor a través de cualquier protocolo a cualquier plataforma de forma inalámbrica y usando la menor energía posible para uso de baterías

Cadena de valor de IoT:

recoger datos — conectar — almacenar — analizar — mostrar — actuar — predecir

Mapa de IoT:

Mapa más complejo de IoT (imagen de la plataforma IoT de IBM):

Arduino IoT Manifesto: https://www.edn.com/electronics-blogs/eye-on-iot-/4441804/Arduino-s-IoT-Manifesto

“We believe that the best way to grow this environment is to develop open source platforms and protocols to propose as an alternative to the myriad of proprietary hardware and software platforms each one of the big players are developing.

We believe in creating tools that make these technologies understandable to the most diverse set of people as possible, this is the only way to make sure innovation benefits most of humanity.

We propose that connected devices should be: Open, Sustainable and Fair.”

“We foresee a world with billions of connected smart objects. These smart objects will be composed and orchestrated, thus making the Internet of Things a reality. The IoT will be the eyes, noses, arms, legs, hands of a new, extended, cyber body. The nervous system of such a body will be the Internet, allowing the interaction with a distributed intelligence made of hardware processors and human minds, behaviors, software procedures, and services, shared in the Cloud.”

Arduino cree que mediante la creación de nuevos productos conectados con software, hardware y protocolos de comunicación de código abierto podemos crear un entorno más innovador para fabricantes, empresarios y corporaciones. Al ofrecer a los usuarios la posibilidad de compartir su trabajo de forma más abierta, compartimos desafíos, resolvemos problemas y creamos juntos productos mejor conectados. Estamos seguros de que un enfoque abierto y compartido para el diseño de software, protocolos y hardware es la mejor solución.

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 MKRFOX1200

Medición de temperatura y humedad con un Arduino MKRFOX1200 y sistema simple de alarma basado en un umbral superior. Integración en un servidor propio https://www.aprendiendoarduino.com/ y en thingspeak https://thingspeak.com/

Hardware utilizado:

En esta demo demuestra la potencia de la red Sigfox para IoT, usando un sistema simple se va a medir la temperatura y humedad ambiente de forma inalámbrica y con total movilidad. Se usa un sensor de temperatura y humedad DHT22 conectado al MKRFOX1200 que manda mensajes con los datos cada 30 segundos para esta demostración. Para no llegar al límite diario de mensajes de Sigfox habría que hacerlo cada 10 minutos.

En el mensaje se mandan 3 datos:

  • Temperatura (5 bytes en ASCII). De -9.00 a 99.99
  • Humedad (5 bytes en ASCII). De 00.00 a 99.99
  • Evento de alarma (1 byte ASCII). 0 = normal (no event), 1 = alarm triggered, 2 = restore alarm.

Lo mando todo como texto para simplificar todo, pero si puede mandar los float y ahorrar un byte. Un buen ejemplo de base para mandar un float y convertir diferentes tipos de datos para mandar por sigfox: https://github.com/nicolsc/sigfox-weather-station

El propio Arduino detecta la alarma de alta temperatura y manda en el byte de alarma el evento, cuando la alarma se recupera manda un nuevo evento de recuperación.

Puesto que desde el backend de Sigfox no es capaz de distinguir cuando es una alarma o no, ya que solo puede reenviar los datos del mensaje mandado por el dispositivo sigfox, estos datos se reenvían mediante dos callbacks a:

En ambas plataformas la misión es almacenar los datos, representarlos gráficamente y analizar el mensaje y mandar el evento de alarma cuando corresponda. Incluso desde cualquiera de las dos plataformas, se podría hacer la comprobación de alarma al superar el umbral en lugar de mandarlo por mensaje Sigfox. Estas son las tareas que el backend de Sigfox no puede hacer.

La ventaja de usar un servidor/plataforma propia es que los datos los guardamos en nuestra infraestructura y son accesibles para siempre. Para el caso de la plataforma propia aprovechamos para guardar datos adicionales y aprender más de Sigfox:

Y desde la BBDD podríamos ver los valores máximos y mínimos de RSSI y SNR.

El código a cargar en Arduino es https://github.com/jecrespo/AprendiendoArduino-Sigfox

Dispositivos Sigfox y Lora recogiendo datos en campo:

Una vez cargado el código en Arduino y el dispositivo registrado en el backend de Sigfox ya podemos ver los los mensajes en el backend, dentro de device apartado messages.

Los datos del mensaje en el backend se ven en HEX, para comprobar que lo enviado es correcto se puede usar este conversor a ASCII: https://www.rapidtables.com/convert/number/hex-to-ascii.html

Desde el backend las funciones que se pueden hacer con los datos son muy limitadas, así que con el uso de las callbacks podemos reenviar estos datos a plataformas externas.

Estas callbacks transfieren los datos recibidos de los dispositivos asociados al device type a su infraestructura. Para obtener más información, consulte la documentación de callback: https://backend.sigfox.com/apidocs/callback

Las callbacks están asociadas a los device type, he creado dos callbacks una para mandar los datos a la plataforma propia https://www.aprendiendoarduino.com/ y otra para reenviar los datos a thingspeak https://thingspeak.com/

Para  https://www.aprendiendoarduino.com/ el callback es:

Y el código que guarda los datos en la BBDD y manda los mensajes de alarma está hecho en PHP y el código está en: https://github.com/jecrespo/aprendiendoarduino-servicios/tree/master/sigfox y además de guardar los datos en una BBDD, las temperaturas los guarda en otra BBDD para representar gráficamente y se encarga también del envío de alarmas.

Y veo los datos en tiempo real:

Para la plataforma thingspeak: https://thingspeak.com/, hago una llamada a la API de sigfox para actualizar: https://api.thingspeak.com/update.json?api_key=writeapikey&field2={customData#humidity}&field1={customData#temperature}

El callback es:

Este es un esquema de lo que estamos haciendo:

Lo que hago es desde el backend de sigfox es reenviar los datos a la plataforma IoT:

Desde thingspeak hay que configurar un canal con los campos temperatura y humedad y podemos dar una vista pública que puede verse en https://thingspeak.com/channels/440162

Imágenes y más información en: