UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES

FACULTAD DE INGENIERÍA

CARRERA DE ESPECIALIZACIÓN EN SISTEMAS

EMBEBIDOS

MEMORIA DEL TRABAJO FINAL

Dispositivo logger IoT con tecnologíasde comunicación Sigfox y Lora

Autor:Ing. Julian Bustamante Narvaez

Director:Ing. Marcelo E. Romeo (UNSAM, UTN-FRBA)

Jurados:Esp. Ing. Leonardo Carducci (FIUBA)

Esp. Ing. Agustin Bassi (FIUBA)Esp. Ing. Ramiro Alonso (FIUBA)

Este trabajo fue realizado en la Ciudad Autónoma de Buenos Aires, entre agostode 2018 y agosto de 2019.

III

Resumen

En esta memoria se presenta el diseño e implementación de un dispositivo deadquisición de datos con múltiples entradas digitales y análogicas para

aplicaciones IoT (Internet of Things) en ambientes industriales para la empresaTecrea S.A.S. El dispositivo tiene una arquitectura modular que le permite

incorporar nuevas funcionalidades y puede operar con protocolos inalámbricoscomo SigFox o Lora.

Este proyecto se enfocó en que los procesos de toma de datos sean menosdependientes de las personas y se puedan auto gestionar con información

adquirida en tiempo real. En el presente trabajo se plasman los conocimientos enel desarrollo de firmware en sistemas embebidos, testing de software, diseño

electrónico, circuitos impresos y gestión de proyectos.

V

Agradecimientos

A la mujer de mi vida, Adriana, por el sacrificio que hizo y la comprensión quetuvo en los momentos donde no tenía tiempo para ella.

A mi madre Edith, a mi padre Oscar y a mis hermanos, Lina, Jonatan, Felipe yMelissa por la ayuda imprescindible, por creer en mis expectativas y por com-prender mis largas horas de trabajo y estudio.

A Tecrea SAS por el tiempo y colaboración brindada y a cada uno de mis compa-ñeros de trabajo por todas sus enseñanzas.

VII

Índice general

Resumen III

1. Introducción General 11.1. Motivación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2. IoT (Internet of Things) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2.1. Tecnologías de comunicación . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.3. Objetivos y alcance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.3.1. Objetivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.3.2. Alcance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2. Introducción Específica 72.1. Estructura general del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2. Sigfox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.3. LoRa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.3.1. LoRaWAN Clases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.4. Requerimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3. Diseño e Implementación 193.1. Módulos del sistema de hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.1.1. Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19Microcontrolador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20Modulo Sigfox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20Modulo Lora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21Entradas analógicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21Entradas digitales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.1.2. Sintonización y verificación de la antena . . . . . . . . . . . 23Antena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24Carta de Smith . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24Consideraciones técnicas en el diseño de antenas . . . . . . 26Diferencias de desempeño presentado en las hojas de datos

y en la vida real . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27Sintonización antena Sigfox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.1.3. Desarrollo del firmware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29Manejadores de dispositivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29OS (Operating System) QuarkTS . . . . . . . . . . . . . . . . . 30Estructura del firmware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31Comunicación con el modulo Sigfox . . . . . . . . . . . . . . 32Comunicación con el modulo LoRaWAN . . . . . . . . . . . 32Lectura de entradas analógicas y digitales . . . . . . . . . . . 32Despachador de mensajes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32Tarea para una FSM (Finite State Machine) . . . . . . . . . . . 33

4. Ensayos y Resultados 35

VIII

4.1. Dispositivos desarrollados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354.2. Pruebas de hardware sobre el prototipo . . . . . . . . . . . . . . . . 354.3. Resultados de sintonización y verificación de la antena Sigfox . . . 364.4. Resultados de pruebas funcionales sobre los módulos . . . . . . . . 37

Resultados de las pruebas de transmisión de Sigfox . . . . . 38Resultados de las pruebas de transmisión de LoRaWAN . . 39

4.5. Pruebas de consumo de energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404.6. Pruebas de integración . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

5. Conclusiones 455.1. Conclusiones generales del trabajo realizado . . . . . . . . . . . . . 45

5.1.1. Cumplimiento de los requerimientos . . . . . . . . . . . . . 465.1.2. Conocimientos utilizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

5.2. Trabajo futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

Bibliografía 49

IX

Índice de figuras

2.1. Diagrama general del sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2. Ciclo de vida de un mensaje en Sigfox1. . . . . . . . . . . . . . . . . 92.3. Disponibilidad geográfica de Sigfox2. . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.4. Potencia según clases. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.5. Diagrama Sigfox back-end 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.6. Costo plan platinium para 100 dispositivos4 . . . . . . . . . . . . . . 122.7. Niveles de subscripción5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.8. LoraWan Stack 6[18]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.9. LoRa arquitectura de red6 [18]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.10. LoraWan clases6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.11. Diagrama de un dispositivo clase A de LoRa8 [21]. . . . . . . . . . . 162.12. Diagrama de un dispositivo clase B de LoRa8 [21]. . . . . . . . . . . 162.13. Diagrama de un dispositivo clase C de LoRa7[21]. . . . . . . . . . . 16

3.1. Jerarquia del hardware. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193.2. Esquemático módulo Sigfox. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.3. Esquemático módulo LoRa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.4. Esquemático entradas analógicas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223.5. Esquemático entradas digitales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.6. Modelo 3D tarjeta principal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.7. Tarjeta principal ensamblada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.8. Carta de Smith. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.9. Circuito Pi[26]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253.10. Manejo carta de Smith[26]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.11. Restricción entre el plano de tierra y la antena. . . . . . . . . . . . . 273.12. Conexión Tarjeta con VNA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.13. Perdidas de retorno -10dB 8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.14. Estados de Tareas QuarkTS.9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.15. Flujo de trabajo del OS QuarkTS.10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313.16. Diagrama de tareas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323.17. Diagrama de la FSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4.1. Tarjeta principal armada con los módulos Sifox y LoRa. . . . . . . . 354.2. Plano de ensamble tarjeta principal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364.3. Carta de Smith 915 MHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374.4. Perdidas de retorno a 915 MHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374.5. Comandos enviados al módulo Wisol-Sigfox. . . . . . . . . . . . . . 384.6. Prueba de transmisiones de mensajes de subida Sigfox. . . . . . . . 384.7. Transmisiones de mensajes Sigfox a 10Km de distancia. . . . . . . . 394.8. Comandos enviados al módulo LoRaWAN. . . . . . . . . . . . . . . 394.9. Prueba de transmision de mensajes con LoRaWAN. . . . . . . . . . 404.10. Cuantificación de mensajes enviados con LoRaWAN. . . . . . . . . 404.11. Consumo de WWSFM11R2D en funcionamiento normal. . . . . . . 41

X

4.12. Consumo de WWSFM11R2D en modo sleep . . . . . . . . . . . . . . 414.13. Consumo de RN2903 en funcionamiento normal. . . . . . . . . . . . 424.14. Consumo de RN2903 en modo sleep . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.15. Codificación del paquete de datos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434.16. Consola de depuración del sistema embebido. . . . . . . . . . . . . 444.17. Plataforma de integración. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

XI

Índice de Tablas

1.1. Redes de comunicación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2. Comparación costos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.1. Zonas de frecuencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92.2. Sigfox Ready . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

4.1. Consumos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

XIII

Con paciencia, dedicación y perseverancia los sueños sepueden cumplir. Este trabajo se lo dedico a toda familia,

ellos son el motor de mis sueños.

1

Capítulo 1

Introducción General

En este capítulo se menciona la problemática que motivó la realización del pre-sente trabajo, los procedimientos de la toma de datos en la industria actualmentey el enfoque elegido para desarrollar el prototipo que ofrece una solución usandosistemas embebidos.

1.1. Motivación

En el transcurso de la próxima década se espera un gran crecimiento en la can-tidad de dispositivos IoT (internet of things) provenientes de redes LPWAN (Low-Power Wide Area Network). Para el 2025, se espera que más de 100 billones dedispositivos se conecten a través de LPWAN[1]. Las principales tecnologías, queprometen una vida útil alta de la batería de los dispositivos y un alcance de has-ta 15 kilómetros, son Sigfox, Lora y NB-IoT, que actualmente están conectadosen todo el mundo con más de 25 millones de dispositivos, brindando servicio yfacilitando las experiencias del usuario[2].

En los procesos industriales se tiene mucha información de variables físicas yeléctricas por medio de sensores, la cual muchas veces no se aprovecha debidoa que no se tiene una óptima trazabilidad de la misma o simplemente se pierdeesta información. Cuando los procesos industriales fallan, necesitan una reaccióninmediata por parte de una persona y esto genera una dependencia de alguienque no siempre va a estar las 24 horas del día al pendiente, quizá por costos paralas mismas empresas.

En vista de lo de anterior se desarrolló un prototipo para ofrecer una soluciónque permita monitorear inalambricamente diferentes variables en los procesosindustriales de esta manera los usuarios pueden estar informados y garantizan lacorrecta funcionalidad de sus procesos.

1.2. IoT (Internet of Things)

El concepto de internet de las cosas se refiere a la interconexión digital de dis-positivos y objetos a través de una red, es decir, dispositivos como sensores y/oactuadores, equipados con una interfaz de comunicación, unidades de procesa-miento y almacenamiento[3]. Estos dispositivos tienen la capacidad de adquirir,intercambiar y transferir datos a la red mediante alguna tecnología de comunica-ción inalámbrica.

2 Capítulo 1. Introducción General

IoT es una tendencia imparable y puede facilitar mucho la vida diaria. Produceformas baratas y efectivas de resolver grandes problemas sociales, como el accesoa la energía, el transporte y la vivienda. Otras aplicaciones pueden ser wearables,construcciones y demóticas, smart cities, smart manufacturing[1]. IoT puede hacer-nos sentir más cómodos en nuestros hogares y en nuestras ciudades.

1.2.1. Tecnologías de comunicación

Uno de los principales habilitadores de un proyecto de internet de las cosas sonlas redes de comunicaciones. Estas permiten conectar dispositivos, máquinas,sensores o “cosas” los cuales generan datos o información desde cualquier pun-to geográfico del planeta. Las redes de comunicación son un conjunto de mediostécnicos que permiten la comunicación entre equipos que se encuentran a distan-cia.

Las principales características de una red de comunicación IoT son:

Baja tasa de datos.

Bajo consumo de energía.

Largo alcance de comunicación.

Conexiones bidireccionales.

Movilidad y servicios de localización.

En la tabla 1.1 se puede observar una comparación de las principales tecnologíasde comunicación.

TABLA 1.1: Redes de comunicación más utilizadas para proyectosIoT

Tecnología Consumo Alcance Tasa de Datos

GSM/GPRS Muy alto Alto AltaSigFox Bajo Medio/alto Muy bajaLora Bajo Medio/alto Muy bajaWiFi Alto Bajo Muy altaBLE Muy bajo Muy Bajo BajaZigBee Medio Bajo Baja

Tecnología GSM/GPRS:

GSM (Global System for Mobile communications) o en español sistema global paralas comunicaciones móviles y es un tipo de red que se utiliza para la transmisiónmóvil de voz y datos.

GPRS (General Packet Radio Service) o en español servicio general de paquetes víaradio y es una extensión mejorada del GSM. Permite la mensajería instantánea,los servicios de mensajes cortos SMS (Short Message Service), multimedia MMS(Multimedia Messaging Service) y correo electrónico. Esta proporciona una cober-tura inalámbrica completa, tiempos de acceso mas cortos y mayores tasas de da-tos[4]. Por ejemplo, permite enviar 30 SMS por minuto, mientras que con GSM sepuede enviar entre 6 y 10.

1.2. IoT (Internet of Things) 3

Tecnología WiFi:

Es una tecnología que permite la interconexión inalámbrica de dispositivos elec-trónicos por medio de internet. WiFi, el nombre popular para el área local inalám-brica redes basadas en el estándar IEEE 802.11b, se ha convertido en la tecnologíapreferida para redes inalámbricas de área local en entornos comerciales y domés-ticos[5].

Tecnología BLE:

Es una tecnología de red de área personal PAN (Personal Area Network) inalámbri-ca, Permite la comunicación entre dispositivos dos o más dispositivos Bluetooth,que opera en 2.4 GHz (una de las bandas ISM), con una tasa de transferencia de1 Mbps en la capa física. BLE (Bluetooth Low Energy) se introdujo por primera vezen 2010 con el objetivo de expandir la aplicación de Bluetooth para su uso endispositivos con limitaciones de energía, como los sensores y controles inalám-bricos. Los sensores y controles requieren un bajo consumo de energía, pero lacantidad de transmisión de datos es pequeña y la comunicación ocurre con pocafrecuencia[6].

Tecnología ZigBee:

ZigBee es el transceptor estándar más utilizado en sensores inalámbricos. La redZigBee sobre IEEE 802.15.4, define especificaciones para baja velocidad de datosWPAN (wireless personal area network) para soportar baja potencia en monitoriza-ción y control de dispositivos[7].

El consumo de energía para ZigBee es muy pequeño. En la mayoría de los casosutiliza 1mW (o menos potencia). Pero aún así proporciona un alcance hasta 150metros en exterior que se consigue con la técnica. Llamada espectro de propaga-ción de secuencia directa DSSS (direct sequence spread spectrum). Funciona en los868 MHz (Europa), 915 MHz (América del Norte y Australia) y 2.4 GHz (dispo-nible en todo el mundo) en la banda ISM con hasta 20 Kbps, 40 Kbps y velocidadde datos de 250 Kbps respectivamente[7].

Tecnología NB-IoT (Narrowband Internet of Things:

Tecnología de acceso por radio que proporciona cobertura extendida, alta capaci-dad y larga duración de la batería. Utiliza la ya existente red móvil para conectardispositivos de manera masiva.

NB-IoT requiere un ancho de banda mínimo de 200 kHz, que es igual al tamañodel LTE físico más pequeño[8].

Permite transmisiones de hasta 1600 bytes sin limitación de cantidad mensajespor día, con un alcance de 1km en zonas urbanas y 10 km en zonas rurales[9].

Tecnología SigFox:

Es una tecnología de comunicación UNB (Ultra-Narrow Band) para conectar sen-sores y dispositivos. Opera en las bandas 868 MHz y 902-928 MHz, permite latransmisión de datos hasta 12 bytes con limitación de 140 mensajes de subida y4 mensajes de bajada, esta tecnología tiene un alcance de hasta 10 Km en zonasurbanas y 40 Km en zonas rurales[9].

4 Capítulo 1. Introducción General

Tecnología LoRa:

Es una tecnología LPWAN de modulación de radio de CCS (chirp spread spectrum).Esta permite el envió y recepción de información en las bandas de frecuencia433 MHz, 868 MHZ y 915 MHz, permite la transmisión de hasta 243 bytes sinlimitación de cantidad de mensajes por día y tiene un alcance de 5 Km en zonasurbanas y 20 Km en zonas rurales[9].

En la tabla 1.2 se puede observar las comparaciones de costos de las principalestecnologías LPWAN para el IoT : Sigfox, NB-IoT y LoRaWAN. En ella se muestrauna ventaja en relación a costos comparado con NB-IoT[10].

TABLA 1.2: Comparación costos para BS (Base Station), espectro ydispositivo final de tecnologías LPWAN para el IoT.

Spectrum cost Deployment cost End-device cost

Sigfox Free >4K euro/BS <2 eurosLoRaWAN Free >1K euros/BS 3-5 eurosNB-IoT >500M euro >15K euro/BS >20 euros

Las tecnologías seleccionadas fueron Sigfox y LoRaWAN, para la selección deestas tecnologías se tuvo en cuenta algunas características tales como : LPWANcon largo alcance[11] y bajo costo[10]. En el capítulo 2 se explicaran en detalleestas tecnologías .

1.3. Objetivos y alcance

1.3.1. Objetivo

El objetivo principal es diseñar e implementar un dispositivo de adquisición dedatos con múltiples entradas digitales y analógicas para aplicaciones IoT en am-bientes industriales, mediante la transmisión inalámbrica de la información pormedio de tecnologías de comunicación Sigfox o Lora.

1.3.2. Alcance

En la presente solución se contempla:

La implementación de un prototipo funcional de hardware.

2 entradas analógicas de tensión.

1 entrada analógica de corriente.

5 entradas digitales.

La escritura del firmware del dispositivo.

La transmisión de la información por medio de Sigfox.

La transmisión de la información por medio de Lora.

La visualización de la información en una plataforma paga o libre.

1.3. Objetivos y alcance 5

En la presente solución no se contempla:

El desarrollo de la plataforma web que permite visualizar los datos en linea.

Caja plástica del dispositivo.

En la presente solución no se incluye:

Diagramas esquemáticos.

PCB layout.

Firmware.

Esto debido a que la propiedad intelectual es de Tecrea SAS.

7

Capítulo 2

Introducción Específica

En este capitulo se presenta la idea general del proyecto y se describen las carac-terísticas principales de la solución implementada.

2.1. Estructura general del sistema

El diagrama general del sistema se muestra en figura 2.1. El sistema se compo-ne de un microcontrolador ARM(Advanced RISC Machine) Cortex R©-M4 y dos busUART(Universal Asynchronous Receiver-Transmitter). De esta forma el sistema pue-de tener una arquitectura modular que le permite incorporar nuevas tecnologíasde comunicación para transmitir inalambricamente tales como: SigFox, LoRa, Nb-IOT, Cat-M, WiFi y 3G.

FIGURA 2.1: Diagrama general del sistema.

El sistema consta dos entradas analógicas de tensión, una de corriente y cincoentradas digitales con el fin de poder adquirir datos de diferentes variables enlos procesos industriales. El dispositivo esta diseñado para tener diferentes fun-cionalidades sin embargo debido a la delimitación del alcance del trabajo no seimplementaron los subsistemas que se observan en gris en la figura 2.1.

8 Capítulo 2. Introducción Específica

2.2. Sigfox

La tecnología Sigfox fue fundada en Francia en 2010 con el fin de construir unared global que se dedicara al Internet de las cosas y operara con un costo muy bajoy un consumo mínimo de energía. La tecnología Sigfox se basa en una comuni-cación por radio de largo alcance, dedicada por completo a hacer que cualquierobjeto se comunique con muy bajo consumo de energía, extrayendo y transpor-tando mensajes muy pequeños [12].

El protocolo Sigfox se centra en:

Autonomía: consumo de energía extremadamente bajo, lo que permite añosde duración de la batería.

Simplicidad: sin configuración, solicitud de conexión o señalización. ¡El dis-positivo está en funcionamiento en minutos!

Eficiencia de precio: desde el hardware utilizado en los dispositivos hastala red, optimiza cada paso para que sea lo más rentable posible.

Pequeños mensajes: no permiten activos o medios grandes en la red, solonotificaciones pequeñas: hasta 12 bytes en transmisiones ascendentes y 8bytes transmisiones descendentes.

Complementariedad: gracias al bajo costo y facilidad de configuración, tam-bién se puede usar Sigfox como una solución secundaria para cualquier otrotipo de red, como: WiFi, Bluetooth, GPRS, etc.

Como se puede observar en la figura 2.2 el ciclo de vida de un mensaje de Sigfoxes el siguiente:

1. Un dispositivo se despierta y emite un mensaje usando su antena de radio.

2. Múltiples estaciones base de Sigfox en el área reciben el mensaje.

3. Las estaciones base envían el mensaje a la nube de Sigfox.

4. La nube de Sigfox envía el mensaje a la plataforma de el cliente.

Sigfox utiliza la tecnología de radio UNB y opera en las bandas sin licencia ISM(industrial, scientific and medical) para intercambiar mensajes de radio a través delaire en las frecuencias 868 MHz y 902-928 MHz. En cada pais, las bandas ISMestán bajo el control de las regulaciones locales, que definen restricciones técni-cas para el uso del espectro, Sigfox tiene definidas configuraciones de radio quecumplan con las regulaciones locales.

Sigfox combina UNB con modulación DBPSK (differential binary phase shift keying),este un método de transmisión de radio estándar que toma fragmentos de espec-tro muy estrechos y cambia la fase de la onda de radio portadora para codificarlos datos. Esto permite que el receptor solo escuche en una pequeña porción deespectro. Lo que mitiga el efecto del ruido. cada mensaje tiene un ancho de 100Hz y se transfiere a una velocidad de 100 o 600 bits por segundos, dependiendode la región [13].

Tiene una funcionalidad bidireccional, pero la capacidad para ir desde la esta-ción base hasta el dispositivo final está restringida, y tendrá menos presupuesto

2.2. Sigfox 9

FIGURA 2.2: Ciclo de vida de un mensaje en Sigfox1.

de enlaces que hacia abajo. Esto se debe a que la sensibilidad del receptor en eldispositivo final no es tan buena como en la estación base.

Sigfox tiene una red de cobertura global, que opera en la banda ISM en todo elmundo. Las operaciones globales se dividen actualmente en seis zonas geográfi-cas. Cada zona tiene un conjunto diferente de parámetros que acotan claramentela implementación del hardware del dispositivo, principalmente rango de fre-cuencias, frecuencia central(Fc) y potencia máxima irradiada. En la tabla 2.2 sepuede observar algunos de estos parámetros [14].

TABLA 2.1: Frecuencias según zonas

RC1 RC2 RC3 RC4 RC5 RC6

Fc uplink (MHz) 868.130 902.200 923.200 920.800 923.300 865.200Fc downlink (MHz) 869.525 905.200 922.200 922.300 922.300 866.300Velocidad uplink (bits/s) 100 600 100 600 100 100Velocidad downlink (bits/s) 600 600 600 600 600 600EIRP (dBm) 16 24 16 24 14 16

Las 6 zonas actuales con la configuración de radio de Sigfox son:

RC1:

• Europa: Bélgica, Croacia, República Checa, Dinamarca, Estonia, Fin-landia, Francia, Alemania, Hungría, Irlanda, Italia, Luxemburgo, Mal-ta, Países Bajos, Noruega, Polonia, Portugal, Eslovaquia, España, Sue-cia, Suiza, Reino Unido.

• Francia de ultramar: Guayana Francesa, Polinesia Francesa, Guadalu-pe, Martinica, Mauricio, Mayotte, Nueva Caledonia, Reunión.

1https://build.sigfox.com/sigfox

10 Capítulo 2. Introducción Específica

• Oriente Medio y África: Irán, Kenia, Omán, Sudáfrica, Túnez, EmiratosÁrabes Unidos.

RC2: Brasil, Canadá, México, Puerto Rico, Estados Unidos.

RC3: Japón

RC4:

• América Latina: Argentina, Chile, Colombia, Costa Rica, Ecuador, ElSalvador, Guatemala, Honduras, Panamá, Perú, Uruguay.

• Asia Pacífico: Australia, Hong Kong, Malasia, Nueva Zelanda, Singa-pur, Taiwán, Tailandia.

RC5: Corea del Sur

RC6: India

En la figura 2.3 se puede observar el mapa de cobertura de Sigfox.

FIGURA 2.3: Disponibilidad geográfica de Sigfox2.

La certificación Sigfox es el reconocimiento de la conformidad de un dispositivocon las especificaciones de certificación Sigfox para garantizar la compatibilidadcon los servicios Sigfox y el rendimiento nominal en la red. La certificación SigfoxReady es obligatoria para que cualquier dispositivo esté conectado a la red Sigfox,con la excepción de las soluciones de desarrollo (prototipos).

Sigfox requiere la certificación para los dispositivos que desean comunicarse enla red Sigfox. Esto es para garantizar la interoperabilidad y la prestación de ser-vicios a un nivel de rendimiento nominal. Al finalizar el proceso de certificación,Sigfox otorga un certificado al cliente. Este certificado es necesario para registrarcualquier dispositivo del mismo modelo en la red Sigfox.

2https://build.sigfox.com/sigfox-radio-configurations-rc

2.2. Sigfox 11

La certificación Sigfox Ready se clasifica en clases. RC (Radio Configuration) es lazona de configuración, la cual depende de la región. En la tabla 2.2 se observanlas características[15].

TABLA 2.2: Caracteristicas de certificación (Sigfox Device Class)

Device EIRPDevice Class RC1, RC3 RC2,RC4 RC5

0u ≥ 12 dBm ≥ 20 dBm ≥ 10 dBm1u ≥ 7 and <12 dBm ≥ 15 and <20 dBm ≥ 5 and <10 dBm2u ≥ 2 and <7 dBm ≥ 10 and <15 dBm ≥ 0 and <5 dBm3u <2 dBm <10 dBm <0 dBm

La figura 2.4 muestra la prioridad de las clases, siendo clase 0u la de mayor poten-cia de transmisión y 3u la clase de menor potencia de transmisión. Entre mayorpotencia mayor alcance se puede tener con el dispositivo[15].

FIGURA 2.4: Potencia según clases.

Sigfox se basa en una infraestructura privada de antenas y servidores, la red esdesplegada por un operador local. En América es la empresa WND group (Wi-reless Network Development) con exclusividad por 15 años. Sin embargo en otrospartes del mundo son otras empresas las encargadas de desplegar la red. WNDse encuentra en Colombia, Argentina, Brasil, Chile, Costa Rica, Ecuador, El Sal-vador, Mexico, Panamá y United Kingdom. También existen los canales que sonlos encargados de consumir y ofrecer el servicio que brinda WND [16].

La información se maneja en un servidor Sigfox back-end donde el usuario tienela posibilidad darle un tratamiento a la información a través de una interfaz API(Application Programming Interface). En la plataforma de Sigfox, una empresa sueleestar representada por un "Grupo", que contiene "Tipo de dispositivo". Cada tipode dispositivo puede atribuirse a una "familia"de dispositivos como se observa enla figura 2.5. Todas las unidades del mismo producto se agruparán como un tipode dispositivo para permitir que todas se comporten exactamente de la mismamanera cuando la red Sigfox recibe un mensaje.

12 Capítulo 2. Introducción Específica

FIGURA 2.5: Diagrama Sigfox back-end 3

Sigfox basa su modelo de negocio en conectividad, ofrece servicios de comuni-cación seguros, bidireccionales y listos para usar, para conectar los dispositivosa la nube. Existen planes de conectividad anuales que difieren en la cantidad demensajes que pueden transmitir al día (ver figura 2.7). Por ejemplo un plan plati-nium, tiene máximo 140 mensajes uplink y 4 mensajes downlink. Los mensajes debajada (downlink) siempre están precedidos por un mensaje ascendente. En cual-quier otro momento que el servidor quiera enviar un mensaje descendente debeesperar hasta la siguiente transmisión de un mensaje ascendente (uplink).

El costo para el plan platinium se puede observar en la figura 2.6. Se puede apre-ciar que son 2.625 USD por crear el dispositivo, 2.625 USD por activar el dispo-sitivo y 5.25 USD por subscripción anual, donde los primeros tres años solo sepagaría este ultimo valor de subscripción por cada dispositivo por conectividaddurante un año.

FIGURA 2.6: Costo plan platinium para 100 dispositivos4

3https://build.sigfox.com/backend-callbacks-and-api4https://connect.sigfox.com/portal-web/views/quotes/simulation/simulation.xhtml

2.3. LoRa 13

FIGURA 2.7: Niveles de subscripción5

2.3. LoRa

LoRa, el cual es el acrónimo de "Long Range", es un sistema de comunicacionesinalámbricas de largo alcance, originalmente fue desarrollada por Semtech y ac-tualmente es promovida por LoRa Alliance.

LoRa esta basada en dos capas distintas, como se puede observar en la figura 2.8:

1. Capa física que utiliza la técnica de modulación de radio CSS (Chirp SpreadSpectrum)[17].

2. LoRaWAN un protocolo de capa MAC (Medium Acces Control)[18].

FIGURA 2.8: LoraWan Stack 6[18].

La capa física LoRa, permite aplicaciones de largo alcance, baja potencia y comu-nicaciones de bajo rendimiento. Opera en las bandas ISM de 433 MHz, 868 MHzo 915 MHz, esto depende de la región en la que se despliegue la red. La cargaútil de cada transmisión puede oscilar entre 2 y 255 octetos. La velocidad de da-tos puede alcanzar hasta 50 Kbps. Cuando se emplea la adición de canales. Estatécnica de modulación es una tecnología patentada por Semtech[19].

LoRaWAN define el protocolo de comunicación y la arquitectura del sistema parala red mientras que la capa física LoRa permite el enlace de comunicación delargo alcance. El protocolo y la arquitectura de red tienen la mayor influenciapara determinar la duración de la batería de un nodo, la capacidad de la red, lacalidad del servicio, la seguridad, y la variedad de aplicaciones servidas por lared6.

5https://connect.sigfox.com/portal-web/views/quotes/simulation/simulation.xhtml6https://lora-alliance.org/sites/default/files/2018-04/what-is-lorawan.pdf

14 Capítulo 2. Introducción Específica

La arquitectura red es una topología estrella de largo alcance (star-of-stars) en laque las puertas de enlace (gateways) retransmiten los mensajes de los dispositivosfinales. Es decir los nodos no están asociados con una puerta de enlace específi-ca. En lugar, los datos transmitidos por un nodo normalmente son recibidos pormúltiples puertas de enlace. Cada puerta de enlace reenviará el paquete recibidodesde el nodo final al servidor de red a través de una interfaz de red de retorno(backhaul) (ya sea 3G, Ethernet, satélite o WiFi). Ver figura 2.9.

FIGURA 2.9: LoRa arquitectura de red6 [18].

La comunicación entre los nodos generalmente es bidireccional, la puerta de en-lace se distrbuye en diferentes frecuencias, canales y tarifas de datos. Las tasasde datos de LoRa varían de 0.3 Kbps a 50Kbps, Para maximizar la duración debatería de los dispositivos finales como la capacidad general de la red, la red Lo-Ra gestiona la velocidad de datos y la salida de RF para cada dispositivo finalindividualmente[20].

Los dispositivos finales pueden transmitir en cualquier canal disponible en cual-quier momento, siempre y cuando se respeten las siguientes reglas:

El dispositivo final cambia el canal de forma pseudoaleatoria para cadatransmisión. La diversidad de frecuencia resultante hace que el sistema seamás robusto para interferencias.

El dispositivo final respeta el ciclo de trabajo de transmisión máximo enrelación con los reglamentos de la sub-banda usados y locales.

El dispositivo final respeta la duración máxima de transmisión (o tiempode permanencia) en relación con la sub-banda utilizada y las normativaslocales.

2.3.1. LoRaWAN Clases

La red LoRa distingue entre tres clases bidireccionales: clase A, clase B, clase C.Estas tres clases se usan para diferentes aplicaciones y tienen una variedad de

2.3. LoRa 15

requisitos para optimizar una variedad de aplicaciones finales. Las clases inter-cambian la latencia de comunicación del enlace descendente frente a la duraciónde la batería. ver figura 2.10.

FIGURA 2.10: LoraWan clases7.

Clase A, bidireccional: los dispositivos finales de Clase A pueden progra-mar una transmisión de enlace ascendente en función de las necesidadespropias con una pequeña variación basada en una base de tiempo aleatorio(ALOHA -type of protocol), esta clase de dispositivos permite comunicacio-nes bidireccionales, por lo que a cada transmisión de enlace ascendente lesiguen dos ventanas cortas de recepción. La transmisión del enlace descen-dente desde el servidor en cualquier otro momento tiene que esperar hastaque ocurra la siguiente transmisión de enlace ascendente. Los dispositivosde clase A tienen el menor consumo de energía, pero también ofrecen me-nos flexibilidad en las transmisiones de enlace descendente. Ver figura 2.11.

Clase B, bidireccional con ranuras de recepción programadas: los dispositi-vos finales de Clase B tienen ventanas extras de recepción abiertos a unashoras programadas. Por lo tanto, se requiere una baliza sincronizada desdeel servidor, de modo que El servidor pueda saber cuándo está escuchandoel dispositivo final. Ver figura 2.12.

Clase C, bidireccional con ranuras de recepción máximas: los dispositivosfinales de Clase C tienen casi todo el tiempo ventanas de recepción conti-nuas, de esta forma tienen el máximo consumo de energía8. Ver figura 2.13.

7https://lora-alliance.org/sites/default/files/2018-04/what-is-lorawan.pdf8https://upcommons.upc.edu/handle/2117/98853

16 Capítulo 2. Introducción Específica

FIGURA 2.11: Diagrama de un dispositivo clase A de LoRa8 [21].

FIGURA 2.12: Diagrama de un dispositivo clase B de LoRa8 [21].

FIGURA 2.13: Diagrama de un dispositivo clase C de LoRa9[21].

2.4. Requerimientos 17

2.4. Requerimientos

Los siguientes son los requerimientos del presente trabajo:

Grupo de requerimientos asociados al hardware:

1. Microcontrolador.

Debe tener procesador ARM Cortex M4.

Debe tener 3 puertos UART.

Debe tener comunicación I2C/SPI.

Debe tener memoria flash mayor a 64 kb.

Debe tener 3 entradas analógicas.

Debe tener 5 entradas digitales.

2. Módulo Sigfox.

Debe tener un módulo Dual Zone con comunicación por UART.

Debe tener antena externa con centro de banda en 915 MHz.

3. Módulo Lora.

Debe tener un módulo con comunicación por UART/I2C.

Debe tener antena externa con centro de banda en 915 MHz.

4. El sistema debe tener una (1) entrada analógica de voltaje de 0-5 Vdc.

5. El sistema debe tener una (1) entrada analógica de voltaje de 0-10 Vdc.

6. El sistema debe tener una (1) entradas analógicas de corriente 4-20 mA.

7. El sistema debe tener cuatro (4) entradas digitales 3.3-24 Vdc.

Grupo de requerimientos asociados al módulo Sigfox:

1. Debe colocarse en modo de bajo consumo mientras no esté en uso.

2. El consumo de corriente ser menor a 2.5 uA.

3. Verificación de cada respuesta de comando AT enviado desde el MCU almódulo SigFox.

Grupo de requerimientos asociados al módulo Lora:

1. Verificación de cada respuesta de los comandos enviados desde el MCU almódulo Lora.

2. Debe colocarse en modo de bajo consumo mientras no esté en uso.

3. El consumo de corriente ser menor a 13 uA.

Otros requerimientos:

1. En el sistema se podrán configurar umbrales máximos y mínimos de laslecturas analógicas.

9https://upcommons.upc.edu/handle/2117/98853

18 Capítulo 2. Introducción Específica

2. El sistema deberá verificar las entradas analógicas cada 1 minuto (paráme-tro configurable).

3. El sistema saldrá del modo de bajo consumo cada vez que ocurra una inte-rrupción por tiempo.

19

Capítulo 3

Diseño e Implementación

En el presente capitulo se realiza una explicación detallada de los módulos delhardware, tecnologías usadas, y el diseño e implementación del firmware.

3.1. Módulos del sistema de hardware

3.1.1. Hardware

En esta sección se explican todos los módulos de hardware que componen el pro-totipo del proyecto.

En la figura 3.1 se puede observar la jerarquia del diagrama esquemático de todoel hardware.

FIGURA 3.1: Jerarquia del hardware.

20 Capítulo 3. Diseño e Implementación

Microcontrolador

A continuación se presentan las principales características del microcontroladorutilizado para el presente proyecto:

Ultra low power ARM Cortex R©-M4 CPU with FPU

SRAM 256 KB

Flash 1M

30 nA Shutdown mode (5 wakeup pins)

120 nA Standby mode (5 wakeup pins)

420 nA Standby mode with RTC

3x I2C FM+(1 Mbit/s), SMBus/PMBus

6x USARTs

3x SPIs

14-channel DMA controller

16 x timers: 2 x 16-bit advanced motor-control, 2 x 32-bit and 5 x 16-bit generalpurpose, 2x 16-bit basic, 2x low-power 16-bit timers (available in Stop mode), 2xwatchdogs, SysTick timer

Up to 114 fast I/Os, most 5 V-tolerant, up to 14 I/Os with independent supplydown to 1.08 V

Modulo Sigfox

Se decide escoger el modulo WISOL para la comunicación con la red Sigfox, debi-do a que cumple con las especificaciones de poder comunicarse por UART y porque es muy económico, aproximadamente 3 USD en cantidades de miles. Tam-bién por la disponibilidad en la bodega de componentes de Tecrea SAS.

El módulo para la comunicación Sigfox desarrollado por la empresa WISOL, ope-ra en 2 zonas con frecuencia distinta, la cual puede ser configurable por software.Las principales características del módulo WISOL WSSFM11R2D[22] son las si-guientes:

RF Frecuency RC2 transmisión 902.2 MHz.

RF Frecuency RC2 recepción 905.2 MHz.

RF Frecuency RC4 transmisión 920.8 MHz.

RF Frecuency RC4 recepción 922.3 MHz.

potencia de Transmisión 22.5 dBm.

2.5 uA en modo sleep.

En la figura 3.2 se observa el diagrama esquemático del hardware asociado almodulo Sigfox.

3.1. Módulos del sistema de hardware 21

FIGURA 3.2: Esquemático módulo Sigfox.

Modulo Lora

Se decide escoger el modulo LoRaWAN RN2903A para la comunicación, debidoa que cumple con las especificaciones de poder comunicarse por UART y por queel costo es aproximadamente 12.05 USD en cantidades de miles y también por ladisponibilidad en la bodega de componentes de Tecrea SAS.

El módulo para la comunicación LoRa, es fabricado por la empresa MicrochipTechnology. Las principales características del módulo RN2903A[23] clase A sonlas siguientes:

Opera en la banda de frecuencia de 915 MHz

Modulación FSK, GFSK.

1.3 uA en modo sleep.

Potencia de Transmisión ajustable hasta 18.5 dBm.

En la figura 3.3 se observa el diagrama esquemático del hardware asociado almódulo LoRa.

Como el dispositivo esta enfocado al IoT, se garantizó desde la etapa de diseñoque los módulos de las dos tecnologías consumieran lo mínimo posible en modode bajo consumo, por lo que se implementó interruptores con transistores MOS-FET (Metal-oxide-semiconductor Field-effect transistor) en la alimentación principalde cada integrado.

Entradas analógicas

En la figura 3.4 se puede observar el diagrama esquemático de las entradas analó-gicas. Los valores de las resistencias se escogieron de acuerdo a los niveles detensión y de corriente de las entradas (0-5VDC, 0-10VDC, 4-20mA) y el máximovoltaje permitido por el microcontrolador 3.3V. Todas las entradas analógicas tie-nen amplificadores en modo seguidor para acoplar impedancias y diodos TVS ala salida para garantizar los niveles de tensión máximo (3.3VDC).

22 Capítulo 3. Diseño e Implementación

FIGURA 3.3: Esquemático módulo LoRa.

FIGURA 3.4: Esquemático entradas analógicas.

Entradas digitales

En la figura 3.5 se puede observar el diagrama esquemático de las entradas digi-tales, estas se encuentran opto-aisladas y funcionan con niveles de voltaje entre3.3VDC a 24VDC.

3.1. Módulos del sistema de hardware 23

FIGURA 3.5: Esquemático entradas digitales.

El modelo 3D y la tarjeta principal armada del prototipo se puede observar en lafigura 3.6 y 3.7

FIGURA 3.6: Modelo 3D tarjeta principal.

FIGURA 3.7: Tarjeta principal ensamblada.

3.1.2. Sintonización y verificación de la antena

Tanto la red Sigfox como la red LoRa están dimensionadas para cubrir todo un te-rritorio con una buena calidad de servicio, tanto para aplicaciones interiores comoexteriores. Incluso colocando los dispositivos en un entorno difícil u operando enlos limites de la cobertura. El rendimiento radiado de los dispositivos es funda-mental para garantizar una buena conectividad. Los dispositivos que presentenun alto rendimiento radiado, obtendrán un beneficio completo de la red. Por lo

24 Capítulo 3. Diseño e Implementación

tanto, la antena es un elemento clave en el diseño de un producto final, ya que esel componente que convertirá las señales conducidas en ondas electromagnéticas.

Antena

Es una estructura conductora en la que fluye una corriente eléctrica alterna (señalde RF (Radio Frequency)) generando campos eléctricos y electro magnéticos. Lafuerza de esos campos dependen de la magnitud de la corriente eléctrica, perotambién de la estructura de la antena[24].

La sintonización de la antena en el presente trabajo se enfoca principalmente ala banda de la red Sigfox y LoRa. En el contexto de la tecnología Sigfox se debeseguir un procedimiento de certificación (Sigfox ReadyTM), que garantiza la con-formidad de un dispositivo en todas las condiciones operativas y durante el ciclode vida completa. Esta certificación es obligatoria para cualquier dispositivo co-nectado a la red, con excepción de las soluciones de desarrollo. La certificación larealizan los laboratorio acreditados por Sigfox[15].

En la certificación Sigfox ReadyTM se mide la máxima potencia radiada efectivaERP (Effective Radiated Power) del dispositivo bajo prueba DUT (Device Under Test)para definir la calidad del servicio y se tiene en cuenta la potencia radiada iso-trópica efectiva EIRP (Effective Isotropic Radiated Power) para las métricas de lacertificación. El resultado de ERP se ve afectado principalmente por el diseño dela antena, ya que todos los circuitos integrados RF Sigfox trabajan con la mismapotencia dependiendo de la zona de operación.

EIRP y ERP son parámetros de las antenas. Estos dependen de la potencia dispo-nible en el puerto de la antena y describen cuánta potencia irradia un dispositivoen una dirección determinada. EIRP es la cantidad de potencia que una antenaisotrópica necesitaría para irradiar la misma cantidad de potencia en una direc-ción dada como la antena medida[25]. Mientras que ERP se refiere a una antenadipolo perfecta con una ganancia de 2.15dBi. Por lo tanto, la relación entre losvalores de ERP y EIRP es simplemente un desplazamiento de 2.15dBi, como sedescribe en la siguiente ecuación 3.1.

ERPdBm = EIRPdBm− 2,15 (3.1)

Carta de Smith

La Carta de Smith ver figura 3.8 es una ayuda gráfica para calcular las lineas detransmisión de circuitos de sintonización de antenas. Se utilizó para representarparámetros de impedancia (Z) en ohmios (Ω).

3.1. Módulos del sistema de hardware 25

FIGURA 3.8: Carta de Smith.

El manejo de la carta de Smith es fundamental, ya que basados en un punto dereferencia se obtienen los valores aproximados de las bobinas y/o capacitores quese deben colocar en el circuito Pi (ver figura 3.9) que garanticen que la antena que-da en la frecuencia adecuada y con la mejor eficiencia. En la figura 3.10 se puedeobservar como es el desplazamiento en la carta de Smith partiendo de un puntode referencia (impedancia). Comenzando del circulo azul del lado izquierdo, si semueve el cursor hacia arriba o abajo se incrementa o decrementa el valor de la in-ductancia de la bobina que se debe colocar en serie en el circuito respectivamente.Partiendo del circulo rojo de en la parte derecha si se mueve el cursor hacia arribao abajo se incrementa o decrementa el valor del capacitor en paralelo que se debecolocar en el circuito Pi.

FIGURA 3.9: Circuito Pi[26].

Al agregar un circuito Pi , que se compone de tres componentes paralelo, seriey paralelo como se puede observar en la figura 3.9, es posible cambiar la impe-dancia hasta 50 Ω (al menos con dos componentes) y se tiene la opción de que sepuede realizar la sintonización en cualquier momento y para cualquier caso deuso. Es decir, si se tiene un dispositivo sintonizado para una aplicación especificapero el mismo dispositivo se quiere usar para colocarlo por ejemplo, sobre unasuperficie metálica, simplemente se debería realizar la sintonización de nuevo yno afectaría en una nueva fabricación de PCB.

26 Capítulo 3. Diseño e Implementación

FIGURA 3.10: Manejo carta de Smith[26].

Consideraciones técnicas en el diseño de antenas

A continuación se presentan algunas consideraciones técnicas para el diseño y/osintonización de la antena:

El volumen de una antena delimita directamente su ancho de banda y efi-ciencia de radiación[27]. Por lo tanto, En las situaciones en que el espaciono sea una limitación, aumentar la superficie o el volumen de una antenapermite aumentar su ancho de banda de impedancia[28].

Ubicación de la antena: la ubicación de una antena es crítica y tendrá unimpacto en casi todos los parámetros de la antena. La mejor ubicación de-penderá de la topología de la antena. No hay ley que lo determine[15].

Material de la carcasa: los materiales utilizados para fabricar la carcasa deldispositivo pueden ser críticos para el rendimiento de la antena. Esto es aúnmás crítico para las antenas pequeñas. Si las propiedades del material estándisponibles, es mejor elegir un material con baja permitividad y pérdidasdieléctricas lo más bajas posibles. Plásticos como el ABS (Acrylonitrile Buta-diene Styrene) y la PC (Polycarbonates) son muy son comunes y son materialesapropiados para la carcasa[15].

Carcasa metálica: en el caso de antenas integradas, la carcasa parcialmentemetálica puede ser una opción, aunque la integración de la antena será másdesafiante. En la mayoría de los casos, un metal. la carcasa tendrá que estarconectada al plano de tierra de la antena para evitar resonancias, que pue-den conducir a una disminución en el rendimiento. En el caso de las antenasintegradas, se deben evitar las carcasas totalmente metálicas[15].

Componentes alrededor de la antena: la mejor manera de perturbar una an-tena es colocar un parte metálica al lado de la antena. El rendimiento puedeverse afectado por una estructura metálica situada junto a la antena. Por lotanto, es mejor evitar colocar componentes electrónicos grandes (por ejem-plo, baterías, cámaras, altavoces) cerca de la antena, o tenerlos en cuenta al

3.1. Módulos del sistema de hardware 27

diseñar o sintonizar la antena. La disposición mecánica del dispositivo debeestar definida antes de la sintonización final de la antena (cualquier cambiotardío puede afectar la sintonización de la antena)[15].

Estos pasos se deben seguir tanto en el prototipo como en el diseño final de latarjeta y de la carcasa.

Diferencias de desempeño presentado en las hojas de datos y en la vida real

El rendimiento de la antena anunciado en las hojas de datos generalmente se apli-ca al diseño de referencia utilizado para caracterizar la antena. Por lo tanto, si eldiseño del dispositivo con la antena integrada difiere de este diseño de referen-cia, es muy probable que el rendimiento que sea diferente. Dado que el diseño dereferencia es probablemente el mejor para la configuración de la antena probada,debe esperar un rendimiento menor utilizando una implementación. Aquí hayuna lista de parámetros que afectarán el rendimiento y el comportamiento de laantena en comparación con la hoja de datos inicial:

El tamaño de la PCB (Printed Circuit Board) y los planos de tierra son bastan-te importante, ya que forma parte del mecanismo de radiación de la antena.La misma antena colocada en diferentes PCB no proporcionará el mismorendimiento.

La ubicación de la antena en la PCB también es un parámetro importante.Esto depende de los componentes y restricciones entre el plano de tierra yla antena, ver figura 3.11. Estas restricciones las define el fabricante y tienengran impacto en la eficiencia de la antena.

FIGURA 3.11: Restricción entre el plano de tierra y la antena.

Es muy probable que el dispositivo tenga una carcasa que incluya todos los com-ponentes electrónicos, incluida la antena, que probablemente no sea el caso conel diseño de referencia. Esta carcasa tendrá un impacto en la sintonización y laeficiencia de la frecuencia de la antena, según el tipo de material, su grosor y ladistancia entre la antena y la carcasa. Idealmente, el material tan delgado y lo másalejado posible de la antena. Por supuesto, esto no suele ser posible, por lo queaquí hay una lista de consejos enfocados a la realidad[15]:

Los plásticos con propiedades dieléctricas similares al ABS son aceptables.

Debe mantenerse una distancia mínima de 1-2 mm entre la antena y la car-casa.

Debe respetarse un espesor máximo de plástico de 2 mm.

28 Capítulo 3. Diseño e Implementación

Sintonización antena Sigfox

Sintonizar correctamente una antena mejora el rendimiento del transmisor. Si laantena no está correctamente sintonizada, se pierde mucha potencia del transmi-sor, se acorta el rango de operación y aumentan los problemas de interferencia.

La capacitancia y la inductancia de una antena están determinadas por sus pro-piedades físicas y su entorno. El parámetro más importante para la resonancia dela antena es la longitud. Una antena larga resuena a un menor frecuencia que unaantena más corta porque la longitud de onda disminuye cuando la frecuencia au-menta. Esto significa que la longitud de la antena es directamente proporcional ala frecuencia y la longitud de onda[26].

Como la antena esta diseñada para una frecuencia especifica, su ancho de bandaesta estrictamente limitado a esa frecuencia, una antena con frecuencia central 915MHz y ancho de banda entre 902 a 928 MHz, como lo es Sigfox, no podrá trasmi-tir a 2.5 GHz. Una antena para poder aprovechar toda su eficiencia e irradiar almáximo debe resonar en su frecuencia de operación.

La frecuencia de resonancia es donde la impedancia de la inductancia XL es iguala la impedancia de la capacitancia XC , así que en la frecuencia de resonanciala antena es totalmente resistiva. Para un sistema óptimo, la impedancia en laantena debe coincidir con la impedancia del sistema que normalmente es 50 Ω.

Para la sintonización deben realizar los siguientes pasos :

Abrir la linea entre el modulo RF y la antena.

Conectar la tarjeta a un VNA (Vector Network Analyzers) por medio de unconector IPEX a SMA, ver figura 3.12.

Tener el dispositivo en el caso de uso.

Analizar la carta de Smith y las perdidas de retorno y obtener el valor de laimpedancia.

Usar un programa para simular esta impedancia y poder moverse sobre lacarta de smith y poder obtener los valores de los componentes.

En el VNA se debe analizar que el marcador para la frecuencia de sintonizacióneste lo mas cerca al origen donde la parte real de la impedancia es aproximada-mente 50 ohmios y la parte imaginaria de la impedancia es 0, con esto se buscaque exista lo menos posible perdidas de retorno. La perdida de retorno (ReturnLoss) es una relación entre niveles de potencia. En el puerto de la antena una par-te incidente de la señal se refleja y otra es irradiada o aceptada por la antena, entremenos reflexión haya mejor eficiencia tiene.

En la realidad es muy difícil tener una antena con el 100 % de la eficiencia, por loque en la carta de Smith la impedancia debe estar en los alrededores del origeno en lo posible en el eje real, para que el dispositivo se considere sintonizado,también se debe analizar las perdidas de retorno la cual esta definida para Sigfoxen -10dB [24]. Esta define el ancho de banda como se puede observar en la figura3.13.

3.1. Módulos del sistema de hardware 29

FIGURA 3.12: Conexión Tarjeta con VNA.

FIGURA 3.13: Perdidas de retorno -10dB 1.

3.1.3. Desarrollo del firmware

Manejadores de dispositivos

Los manejadores de dispositivos son bibliotecas de código que permiten al siste-ma operativo interactuar con los periféricos haciendo una abstracción del hard-ware y proporcionando una interfaz para utilizar el dispositivo.

Para el desarrollo de los manejadores de dispositivos, se usó el estilo de progra-mación orientada objetos debido a lo practico que es encapsular y modularizar elcódigo.

1http://www.sigfox.com/en/resources/white-paper/antenna-design-essentials-for-sigfox-ready-tm-devices

30 Capítulo 3. Diseño e Implementación

OS (Operating System) QuarkTS

Para el desarrollo del firmware del microcontrolador se usó un sistema operati-vo de tiempo real cooperativo llamado QuarkTS[29]. Se decidió trabajar con unOS (Operating System) debido a que el planificador sigue un esquema orientadoa eventos (Event Trigger System) e incorpora maquinas de estados vinculadasdirectamente a tareas y esto ayuda a una mejor estructura del código y escalabili-dad del proyecto. No se usó freeRTOS ni otros sistemas operativos open source2porque dentro de las políticas de Tecrea SAS esta trabajar con el OS desarrollado porlos ingenieros de la compañía. Esto siempre y cuando la aplicación lo permita, encaso de ser necesario se usan OS mas robustos como freeRTOS. Además se tieneun amplio soporte técnico , debido a que la persona que lo desarrollo trabaja parala compañía y el OS se encuentra muy bien documentado.

Los estados de las tareas del QartkTS son cuatro:

qWaiting: la tarea no se puede ejecutar porque las condiciones para la eje-cución no están en lugar. En otras palabras, la tarea está esperando las con-diciones para su ejecución.

qReady: la tarea ha completado los preparativos para la ejecución, pero nopuede ejecutarse porque se está ejecutando una tarea con mayor prioridad.

qRunning: la tarea se está ejecutando actualmente.

qSuspended : la tarea no participa en lo que está sucediendo. Normalmenteel estado se toma después del estado qRunning o cuando la tarea no alcanzael qReady estado.

En la figura 3.14 se puede observar el diagrama de flujo típico utilizado porQuarkTS para manejar los estados de las tareas. Está basado en el modelo Round-Robin, cada tarea se ejecuta desde la lista enlazada o cola de prioridades.

FIGURA 3.14: Estados de Tareas QuarkTS.3

2https://www.osrtos.com/3https://github.com/TECREA/QuarkTS/blob/master/quarkts-usermanual.pdf

3.1. Módulos del sistema de hardware 31

Estructura del firmware

El firmware se estructuro de una forma que usara maquinas de estado finito ytareas disparadas por eventos. La máquina de estado es uno de los patrones deprogramación fundamentales. Los diseñadores usan este enfoque frecuentementepara resolver problemas complejos de ingeniería. Las máquinas de estado se com-pone en una serie de pasos finitos llamados estados. Cada estado realiza algunafunción definida. Los eventos, por otro lado, son los estímulos que producen unatransición entre estados. El QuarkTS, Incorpora una maquina de estados a unatarea y desliga al programador de tener que realizarla como comúnmente se hacecon un switch-case.

Cada máquina de estado tiene el concepto de estado actual (P). Este es el estadoque actualmente ocupa la FSM. En cualquier momento dado, la máquina de esta-do puede estar en solo un estado. El estado de salida se puede manejar con sub-estados adicionales (S (b,s,u,f])) establecidos en el momento de la inicializaciónde FSM. Este flujo de trabajo entre el actual estado y los subestados se muestranmejor en el gráfico 3.15:

FIGURA 3.15: Flujo de trabajo del OS QuarkTS.4

La estructura del firmware se compone de cuatro tareas encargadas de :

Comunicación con el modulo Sigfox.

Comunicación con el modulo LoRaWAN.

Lectura de GPIO.

Tarea para una FSM (Finite State Machine).

El firmware se implemento con las tareas que se ven en el diagrama de la figura3.16.

4https://github.com/TECREA/QuarkTS/blob/master/quarkts-usermanual.pdf

32 Capítulo 3. Diseño e Implementación

Scheduler

tSigfox tLoRaenQueuePayload

tIdle

tFSM

tDispPayload

yes

FIGURA 3.16: Diagrama de tareas

Comunicación con el modulo Sigfox

La tarea tSigfox se encarga de iniciar el servicio de comunicación con el móduloSigfox, Le envía los comandos necesarios de configuración para dejarlo listo paratrabajar, cuando se configura se deshabilita la tarea.

Comunicación con el modulo LoRaWAN

Esta tarea se encarga de iniciar el servicio de comunicación con el módulo LoRa,Le envía los comandos necesarios de configuración para dejarlo listo para traba-jar, se basa en una corutina, cuando se configura se deshabilita la tarea.

Lectura de entradas analógicas y digitales

Esta tarea se encarga de muestrear periódicamente las señales analógicas y digi-tales.

Despachador de mensajes

Es una tarea que esta asociada a una cola de eventos. Esta tarea se dispara cadavez que hay un mensaje para transmitir en la cola.

3.1. Módulos del sistema de hardware 33

Tarea para una FSM (Finite State Machine)

Esta tarea se encarga de realizar la secuencia de inicializar variables del sistema,enviar el mensaje por Sigfox o por LoRaWAN y colocar el módulo en modo debajo consumo, la secuencia se repite periódicamente. En la figura 3.17 se puedeobservar la secuencia.

Sleep

Init Payload

Timeout

FIGURA 3.17: Diagrama de la FSM

35

Capítulo 4

Ensayos y Resultados

En esta sección se presentan los ensayos realizados, los resultados obtenidos y elanálisis correspondiente.

4.1. Dispositivos desarrollados

En la figura 4.1 se puede observar el resultado del diseño de la tarjeta. Esta seencuentra armada con los módulos insertables Sigfox y LoRa y fue sometida adiferentes ensayos indicados en la sección 4.2

FIGURA 4.1: Tarjeta principal armada con los módulos Sifox y Lo-Ra.

4.2. Pruebas de hardware sobre el prototipo

A la tarjeta se le hicieron pruebas individuales de hardware:

Cortos y continuidades.

Voltaje en la linea de alimentación.

Test visual comparado con el plano de ensamble, (ver figura 4.2.)

36 Capítulo 4. Ensayos y Resultados

FIGURA 4.2: Plano de ensamble tarjeta principal.

4.3. Resultados de sintonización y verificación de la antenaSigfox

En la ecuación 4.1 y 4.2 se pueden observar los valores de la impedancia y RLmedidos con el VNA para una frecuencia de 915.516625 MHz.

En la figura 4.3 se puede observar el resultado de la verificación de la antena conel VNA, donde el marcador se encuentra muy cerca al origen de la carta de Smithy al eje real. Lo ideal en la sintonización es que el valor de la resistencia se acerquea 50 Ω y el valor de la reactancia (parte imaginaria j de la ecuación 4.1) sea lo mascercano a 0 Ω para garantizar la mejor eficiencia y la menor reflexión posible.

En la figura 4.4 se puede observar los resultados de la curva de perdidas de re-torno. Esta deja evidenciar que tiene un ancho de banda de aproximadamente 125KHz, el cual se mide a partir de -10dB[24].

Z = 37,5Ω − j ∗ 4,7Ω (4.1)

RL = −16,35dB (4.2)

4.4. Resultados de pruebas funcionales sobre los módulos 37

FIGURA 4.3: Carta de Smith 915 MHz.

FIGURA 4.4: Perdidas de retorno a 915 MHz.

4.4. Resultados de pruebas funcionales sobre los módulos

Los módulos Sigfox y LoRa se probaron individualmente, enviándole comandosAT y comandos MAC respectivamente. Con esto se verificó la correcta funciona-lidad del dispositivo.

38 Capítulo 4. Ensayos y Resultados

Resultados de las pruebas de transmisión de Sigfox

Para la verificación de las transmisiones se uso el Back-end Sigfox para la visuali-zación de los paquetes de datos enviados.

En la figura 4.5 se pueden observar los comandos enviados al modulo Sigfox. Enla figura 4.6 se puede observar el mensaje de prueba visto en la plataforma deSigfox. También se visualiza la cantidad (15) de estaciones bases que vieron eldispositivo y la cantidad de reenvíos (frames), en 9 de 15 antenas se recibieron 3de 3 paquetes enviados, por defecto Sigfox envía tres frames en cada transmisión ycada antena los recibe dependiendo de lo alejado que se encuentre el dispositivode la estación base.

FIGURA 4.5: Comandos enviados al módulo Wisol-Sigfox.

FIGURA 4.6: Prueba de transmisiones de mensajes de subida Sig-fox.

4.4. Resultados de pruebas funcionales sobre los módulos 39

El dispositivo se alejo 10 Km del lugar de donde inicialmente se realizaron lastransmisiones. En la figura 4.7 se puede observar que la cantidad (8 a 10) de esta-ciones base que vieron el dispositivo.

FIGURA 4.7: Transmisiones de mensajes Sigfox a 10Km de distan-cia.

Resultados de las pruebas de transmisión de LoRaWAN

En la figura 4.8 se pueden observar los comandos enviados al modulo LoRaWAN.Para la verificación de las transmisiones de loRaWAN se usó el servidor the thingsnetwork para la visualización de los paquetes de datos enviados (ver figura 4.9).

FIGURA 4.8: Comandos enviados al módulo LoRaWAN.

40 Capítulo 4. Ensayos y Resultados

FIGURA 4.9: Prueba de transmision de mensajes con LoRaWAN.

En la figura 4.10 se puede observar que de 156 mensajes transmitidos con el dispo-sitivo a una distancia menor a 1m del gateway. Solo 6 mensajes fueron recibidospor el servidor.

FIGURA 4.10: Cuantificación de mensajes enviados con LoRa-WAN.

4.5. Pruebas de consumo de energía

Los módulos LoRaWAN y Sigfox trabajan bajo redes LPWAN, por lo que el con-sumo debe ser lo más bajo posible. Esto debido a que en las aplicaciones se buscaque los dispositivos finales tengan una durabilidad de muchos años. En la tabla4.1 se pueden observar los datos de los consumos usados.

TABLA 4.1: Medición de consumos energéticos Sigfox y LoRa-WAN

Modo Sigfox LoRaWAN

Normal 0,53mA 6,71mASleep 0,3µA 6,4µA

4.5. Pruebas de consumo de energía 41

El consumo energético del modulo Sigfox WWSFM11R2D se puede observar enla figura 4.11 y 4.12.

FIGURA 4.11: Consumo de WWSFM11R2D en funcionamientonormal.

FIGURA 4.12: Consumo de WWSFM11R2D en modo sleep

El consumo energético del modulo LoRaWAN se puede observar en la figura 4.13y 4.14.

42 Capítulo 4. Ensayos y Resultados

FIGURA 4.13: Consumo de RN2903 en funcionamiento normal.

FIGURA 4.14: Consumo de RN2903 en modo sleep

La medición de corriente en los módulos deja evidenciar que mientras se encuen-tra en modo de funcionamiento el consumo es alto, sin embargo cuando se lesenvía el comando para entrar en modo de bajo consumo la corriente baja consi-derablemente al orden de µA.

4.6. Pruebas de integración

Para las pruebas de integración se contó con :

Acceso remoto al servidor de Sigfox y LoRaWAN.

Acceso remoto a la plataforma xxxx para no visualizar las señales en crudo.

Acceso físico a los dispositivos embebidos

Terminal serial WCOM desarrollada por Tecrea SAS.

4.6. Pruebas de integración 43

Multimetro UNI-T ut61D con resolución de hasta 100 nA.

Acceso a consola serial de la tarjeta principal.

En la figura 4.16 se puede observar la consola de depuracíon del dispositivo. Du-rante el proceso de pruebas permitió la visualización del estado interno de la apli-cación embebida al mostrar los mensajes impresos por el firmware desarrollado.Se puede visualizar que el mensaje enviado es:

00 00 00 00 00 00 06 00 02 AB 09 c7

Este se puede decodificar de acuerdo a la siguiente imagen 4.15, como cada canalanalógico es de 12 bits, al valor de los canales ADC0, ADC1, ADC2 se les debeaplicar la formula 4.3 para obtener el resultado de 2.786 V, 4.5 V y 0 mA.

V ADCx = (ADCx− 2340)/58,5 (4.3)

FIGURA 4.15: Codificación del paquete de datos.

44 Capítulo 4. Ensayos y Resultados

FIGURA 4.16: Consola de depuración del sistema embebido.

En la figura 4.17 se puede observar la visualización del dashboard con la mediciónde las variables en la plataforma Ubidots.

FIGURA 4.17: Plataforma de integración.

45

Capítulo 5

Conclusiones

En este capítulo se destacan los principales aportes al trabajo realizado, se evalúael cumplimiento de los requerimientos y se destacan los conocimientos aplicados.

5.1. Conclusiones generales del trabajo realizado

Los principales resultados del trabajo realizado son los siguientes:

Se logró construir un prototipo de hardware principal y un prototipo porcada uno de los dos módulos de comunicación de acuerdo al objetivo esta-blecido.

A partir de los resultados presentados en el capitulo 4 se puede afirmar queno es necesario realizarle una sintonización a la antena externa que lleva eldispositivo, debido a que cumple con los parámetros teóricos y empíricosmencionados en la sección 3.1.2

Se concluye además de acuerdo a las mediciones realizadas que el moduloSigfox consume menos energía en modo normal y en bajo consumo que elmodulo LoRaWAN. esto permite que pueda ser útil en muchas aplicacionesdonde lo primordial es la durabilidad de la batería del dispositivo.

El consumo de los dispositivos se puede ver afectado por un ensamble de-fectuoso, como exceso de soldadura o soldaduras en frió. Se debe garantizarque los pines sobrantes en el microcontrolador se coloque como entradasanalógicas (alta impedancia) y también se deben garantizar los niveles ló-gicos de las entradas digitales. Cabe aclarar que estas son conclusiones quese dan de acuerdo a la experiencia con el manejo de dispositivos de bajoconsumo y el desarrollo del presente trabajo. Sin embargo se debe siempreacudir a la hoja de datos y recomendaciones del fabricante.

Para decidir cual de las dos tecnologías (Sigfox o LoRa) a usarse debe ana-lizar el caso de uso y la región, por que por ejemplo en Colombia no hayun gran proveedor de la red LoRa como si lo tiene Sigfox. Sin embargo hayquienes prefieren montar el servidor y la red con LoRa ellos mismos y hayotras personas que prefieren tener todo a la mano como se lo brinda Sigfox.En otros países donde la red loRa tiene mas despliegue, quizás Sigfox no seala mejor opción, debido a que en LoRa se puede tener una mejor transferen-cia de datos y mejor confirmación con mensajes de subida. En los mensajesde bajada no tiene la restricción de 120 mensajes mensuales como si lo tieneSigfox.

46 Capítulo 5. Conclusiones

De acuerdo a los resultados de las transmisiones con LoRaWAN, se tieneque de los mensajes transmitidos solo el 3.85 % de ellos llegaron al servidor,esto debido a que el gateway que se tenía disponible era de un solo canal yno era el optimo para este uso.

5.1.1. Cumplimiento de los requerimientos

Todos los requerimientos se implementaron de forma exitosa. Sin embargo deacuerdo a las sugerencias del director se decidió enfocar el proyecto una de lasdos tecnologías, en este caso Sigfox debido a que se presentaron inconvenientesen la adquisición del gateway LoRa, sin embargo se lograron realizar algunastransmisiones con un gateway LoRa de un solo canal obtenido a ultimo momento.

Cabe mencionar que el inconveniente mas relevante fue el no poder tener ungateway apropiado en el momento necesario.

5.1.2. Conocimientos utilizados

Para el desarrollo de este trabajo se utilizaron los siguientes conocimientos.

Programación de microprocesadores: se aprovecha la experiencia adquiridaen lenguaje C en microcontroladores con arquitecturas de 32 bits y se aplicaa otro microcontroladores como lo es STM32.

Gestión de proyectos: El aporte de esta asignatura contribuyo considerable-mente en el desarrollo de un plan de trabajo claro y organizado, permitien-do que el desarrollo del proyecto se ejecutara de la mejor manera.

Protocolos de comunicación en sistemas embebidos: Se aplicaron los cono-cimientos para la programación de los periféricos I2C y UART. También seaplicaron los conocimientos de desarrollo de manejadores de dispositivosen los drivers del modulo Sigfox y LoRaWAN.

Sistemas Operativos de Tiempo Real (I y II) : Con estas asignaturas se desa-rrollo una mejor perspectiva de los sistemas concurrentes en sistemas em-bebidos y fue muy útil en el desarrollo del firmware del proyecto, ya que seuso un sistema operativo cooperativo .

También se adquirieron conocimientos en:

Configuración de módems.

Trasmisión de datos a plataformas integradoras pagas y open source.

Control de versiones.

Test de pruebas unitarias.

Y se aplicaron conocimientos previamente adquiridos como:

Testing y control de calidad en los circuitos.

Diseño electrónico y de PCB.

Diseño de antenas.

Sintonización de antenas.

5.2. Trabajo futuro 47

Desarrollo de firmware y manejadores de dispositivos orientado a objetos.

5.2. Trabajo futuro

Para el futuro del proyecto se propone trabajar con las tecnologías NB-IoT, CAT-M1 ó GSM. Hay algunos módulos como el BG96 de la marca Quectel que incor-pora estas dos tecnologías de comunicación, 2G y GPS. Sin embargo,por costostambién se puede trabajar estas tecnologías en módulos individuales, ya que eldispositivo de adquisición de datos permite acoplarlo fácilmente, simplementediseñando una tarjeta con el conector adecuado y que se pueda comunicar porUART o I2C.

49

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