Diseño e implementación de un sistema embebido basado en IOT para la gestión del transporte público

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(1)DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA EMBEBIDO BASADO EN IoT PARA LA GESTIÓN DEL TRANSPORTE PÚBLICO.. JENIFER ANDREA TORRES RODRÍGUEZ LUIS FELIPE PATIÑO LÓPEZ. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA ELECTRÓNICA Bogotá Julio de 2019.

(2) DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA EMBEBIDO BASADO EN IoT PARA LA GESTIÓN DEL TRANSPORTE PÚBLICO.. Jenifer Andrea Torres Rodríguez Luis Felipe Patiño López. Trabajo de grado en modalidad de monografía para optar al título de Ingeniero Electrónico. Director: Ing. Julián Rolando Camargo López. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA ELECTRÓNICA Bogotá Julio de 2019. 2.

(3) -. Tabla de contenido 1. Planteamiento del problema .......................................................................... ……10 2. Justificación............................................................................................................. 12 2.1. Justificación técnica ................................................................................................. 12 2.2. Justificación social ................................................................................................... 12 2.3. Justificación económica ........................................................................................... 12 2.4. Justificación ambiental ............................................................................................ 13 2.5. Justificación académica .......................................................................................... 13 2.6. Justificación personal .............................................................................................. 13 3. Objetivos .................................................................................................................. 14 3.1. Objetivo general ...................................................................................................... 14 3.2. Objetivos específicos ............................................................................................... 14 4. Marco teórico .......................................................................................................... 15 4.1. Sistemas de transporte inteligente ........................................................................... 15 4.1.1. Introducción ........................................................................................................ 15 4.1.2. Comunicación de las ITS .................................................................................... 15 4.1.3. Gestión del tráfico .............................................................................................. 16 4.1.3.1. Aplicaciones a la gestión del tráfico ................................................................ 17 4.1.4. Arquitectura ITS ................................................................................................. 18 4.1.5. Nuevas tecnologías ............................................................................................. 19 4.2. Red de sensores inalámbricos ................................................................................. 19 4.2.1. Principales tecnologías de IoT ............................................................................ 20 4.2.2. Tecnología LoRa ................................................................................................ 21 4.2.2.1. Modulación LoRa ............................................................................................. 21 4.2.2.2. Arquitectura LoRa ............................................................................................ 21 4.2.2.3. Protocolo LoRaWAN ....................................................................................... 22 4.2.2.3.1. Canales y velocidades de transmisión .......................................................... 23 4.2.2.3.2. Clases LoRaWAN ........................................................................................ 24 4.2.2.3.3. Seguridad LoRaWAN................................................................................... 24 4.2.2.4.Activación de un nodo ........................................................................................ 25 4.2.3. Sistema embebido ............................................................................................... 25 4.2.3.1.Módulo Transceptor de RF RN2903 .................................................................. 26 4.2.3.2.Gateway LoRaWAN........................................................................................... 27 4.2.3.2.1. Raspberry Pi 3 B+......................................................................................... 28 4.2.3.3.Microcontrolador MC9S08AW60 ...................................................................... 30 4.2.3.4.Módulo GPS NEO 6M ...................................................................................... 31 4.2.4. Aplicación web ................................................................................................... 32 4.2.4.1.Servidor LORIOT ............................................................................................... 32 4.2.4.2.Amazon Web Services........................................................................................ 33 4.2.4.2.1. AWS IoT....................................................................................................... 33 3.

(4) 4.2.4.2.2. Base de datos no relaciona DynamoDB ....................................................... 34 4.2.4.3.API REST HTTP ................................................................................................ 35 4.2.4.4.Express y Node js ............................................................................................... 36 4.2.4.5.Túneles a localhost ............................................................................................. 37 4.2.4.6.Leaflet ................................................................................................................. 38 5. Estado del arte ....................................................................................................... 40 5.1.Sistema de seguimiento de Bus basado en GPS/GSM ............................................ 40 5.2.Aplicación móvil para sistema de información de bus y seguimiento de ubicación utilizando tecnología cliente – servidor ................................................................... 41 5.3.Servicio de información de transporte público en tiempo real basado en sensores participativos ........................................................................................................... 42 5.4.Novedoso esquema de guía de ruta en tiempo real en sistema de transporte inteligente ................................................................................................................. 43 5.5.¿Dónde está mi bus? ................................................................................................ 43 5.6.Sistema de seguimiento de vehículo en tiempo real utilizando GPS ...................... 44 5.7.Desarrollo y pruebas de campo de un sistema interactivo de información de estaciones de tránsito (ITSIS) utilizando tecnologías de vehículos conectados ....................... 45 6. Metodología ............................................................................................................. 46 6.1.Investigación sobre las tecnologías existentes en gestión del transporte público ... 46 6.2.Analizar y estudiar la tecnología LoRa ................................................................... 46 6.3.Desarrollar una red LoRa ........................................................................................ 46 6.3.1. Configuración del Gateway ................................................................................ 46 6.3.1.1.Funcionamiento .................................................................................................. 47 6.3.1.2.Conexión al servidor........................................................................................... 51 6.3.1.2.1. Configuración de la Raspberry ..................................................................... 51 6.3.1.2.2. Registro usuario en LORIOT ....................................................................... 52 6.3.1.2.3. Registro del Gateway en LORIOT ............................................................... 53 6.3.2. Desarrollo del nodo ............................................................................................ 55 6.3.2.1.Comandos utilizados para módulos LoRa .......................................................... 55 6.3.2.2.Conexión módulo RN2903 con el Gateway ....................................................... 57 6.3.2.3.Configuración de módulo RN2903 con MCU .................................................... 63 6.3.2.4.Conexión módulo LoRa con el microcontrolador y GPS ................................... 63 6.3.2.4.1. Programa desarrollado para microcontrolador NXP MC9S08AW60 con conexión a GPS y módulo LoRa ................................................................. 65 6.3.2.4.2. Programa desarrollado para PSoC5LP con conexión a GPS y módulo LoRa ...................................................................................................................... 68 6.3.2.4.3. Diseño PCB para los elementos del nodo .................................................... 72 6.4.Aplicación Web ........................................................................................................ 73 6.4.1. Obtención de datos desde Loriot ....................................................................... 73 6.4.1.1.Salida por AWS ................................................................................................. 74 6.4.1.1.1. Registro usuario AWS ................................................................................. 74 6.4.1.1.2. Registro objeto en AWS IoT ........................................................................ 74 4.

(5) 6.4.1.1.3. Configuración en Loriot para conexión con AWS ....................................... 77 6.4.1.1.4. Verificación de conexión a través de la sombra del objeto .......................... 82 6.4.1.1.5. Creación de regla para almacenar información en la base de datos DynamoDB ...................................................................................................................... 83 6.4.1.1.5.1.Sentencia SQL de AWS IoT. ........................................................................ 83 6.4.1.1.5.2.Definición de la acción a realizar. ................................................................ 85 6.4.1.1.5.3.Creación de base de datos no relacional DynamoDB................................... 86 6.4.1.1.5.4.Verificación almacenamiento de información en la base de datos. .............. 88 6.4.1.2.Salida por HTTP Push. ....................................................................................... 89 6.4.1.2.1. Creación de servidor en express. .................................................................. 90 6.4.1.2.2. Verificación del servidor usando postman. .................................................. 93 6.4.1.2.3. Túneles a localhost para publicar servidor en internet. ................................ 95 6.4.1.2.4. Conexión de Loriot a servidor express mediante url de ngrok. .................... 95 6.4.1.2.5. Implementación de funciones JS en el servidor para procesar datos escuchados de LORIOT ............................................................................... 97 6.4.1.2.6. Creación de mapa usando Leaflet................................................................. 99 6.5.Verificación del prototipo ...................................................................................... 100 6.5.1. Verificación de funcionamiento por medio de prototipos de prueba ............... 101 6.5.2. Verificación de funcionamiento utilizando prototipo final. ............................ 103 7. Análisis de resultados ........................................................................................... 107 8. Conclusiones .......................................................................................................... 109 9. Referencias ............................................................................................................ 111 10. Anexos .................................................................................................................... 116. 5.

(6) Tabla de Figuras Figura 1 Escenario de comunicación ITS según ETSI. ........................................................ 16 Figura 2 Información al usuario en vías [12]. ...................................................................... 17 Figura 3 Arquitectura ITS [13] ............................................................................................. 18 Figura 4 Componentes de WSN gateway y nodos distribuidos [17] .................................... 20 Figura 5 Arquitectura LoRa [25]. ......................................................................................... 22 Figura 6 Arquitectura LoRaWAN [18]. ............................................................................... 23 Figura 7 Canales de frecuencia [28] ..................................................................................... 23 Figura 8 Clases de LoRaWAN [26] ..................................................................................... 24 Figura 9 Arquitectura Sistema Embebido [31]. .................................................................... 26 Figura 10 Módulo RF RN2903 [32] ..................................................................................... 26 Figura 11 Diagrama de bloques RN2903 [32]...................................................................... 27 Figura 12 Gateway LoRa/LoRaWAN para Raspberry Pi 3 [34]. ......................................... 28 Figura 13 Raspberry Pi 3 Model B + [35]. ........................................................................... 29 Figura 14 Microcontrolador MC9S08AW60 [38]. ............................................................... 30 Figura 15 Módulo GPS NEO 6M [38] ................................................................................. 31 Figura 16 Comandos GPS NMEA para GPS [39] ................................................................ 32 Figura 17 Funcionamiento de AWS IoT [43]. ...................................................................... 34 Figura 18 Funcionamiento de túneles locales [47]. .............................................................. 38 Figura 19 Arquitectura del sistema [49]. .............................................................................. 40 Figura 20 Visualización de la aplicación. Izquierda: Ruta en el mapa. Derecha: Información de paradas. [50] ................................................................................................ 41 Figura 21 Vista principal TrafficInfo. [51] ........................................................................... 42 Figura 22 Modelo de sistema de transporte inteligente [52]. 43 Figura 23 Diagrama de bloques para el sistema [54]. .......................................................... 44 Figura 24 Vista de la aplicación ITSIS.[55] ......................................................................... 45 Figura 25 Conexión del Hardware........................................................................................ 47 Figura 26 Inicio de Raspberry Pi 3. ...................................................................................... 47 Figura 27 Configuración SPI en Raspberry Pi 3B+. ............................................................ 48 Figura 28 Descarga de paquete por medio de comandos en terminal. ................................. 48 Figura 29 Configuración de Gateway en la Raspberry......................................................... 49 Figura 30 Documento inicio para el script de arranque........................................................ 50 Figura 31 Comandos para que el ejecutable de gateway inicie automáticamente. ............... 51 Figura 32 Información de la Raspberry Pi 3 por medio del comando ifconfig .................... 51 Figura 33 Registro nuevo usuario LORIOT. ........................................................................ 52 Figura 34 Tablero inicial de trabajo. .................................................................................... 52 Figura 35 Selección de plataforma base. .............................................................................. 53 Figura 36 Selección del concentrador a utilizar. .................................................................. 53 Figura 37 Solicitud dirección MAC. .................................................................................... 54 6.

(7) Figura 38 Ubicación física del Gateway............................................................................... 54 Figura 39 Registro correcto del Gateway en LORIOT......................................................... 55 Figura 40 Especificación de comandos de sistema [32]. ...................................................... 56 Figura 41 Especificación de comandos de protocolo LoRaWAN [32]. ............................... 56 Figura 42 Controlador PROLIFIC PL2303. ......................................................................... 57 Figura 43 Actualización controlador de dispositivo. ............................................................ 58 Figura 44 EUI del módulo RN2903. .................................................................................... 58 Figura 45 Registro de dispositivo en LORIOT. ................................................................... 59 Figura 46 Generación de claves e identificadores únicos para el módulo RN2903. ............ 59 Figura 47 Configuración correcta de un módulo RN2903 al Gateway. ............................... 62 Figura 48 Conexión módulo LoRa con Hércules protocolo serial. ...................................... 62 Figura 49 Código para enviar información desde el microcontrolador por el módulo LoRa. .............................................................................................................................................. 63 Figura 50 Descripción main para microcontrolador. ............................................................ 65 Figura 51 Librerías utilizadas. .............................................................................................. 66 Figura 52 Declaración de variables programa microcontrolador. ........................................ 66 Figura 53 Funciones para envío de información por el puerto serial. .................................. 66 Figura 54 Envío comandos de configuración módulo LoRa RN2903. ................................ 67 Figura 55 Interrupción para el módulo LoRa. ...................................................................... 67 Figura 56 Introducción para el módulo GPS. ...................................................................... 68 Figura 57 Diseño esquemático programa para PSoC. .......................................................... 69 Figura 58 Descripción main para PSoC. .............................................................................. 69 Figura 59 Interrupción de Rx proveniente de GPS............................................................... 70 Figura 60 Interrupción para recepción de datos desde GPS. ................................................ 71 Figura 61 Selección de pines para PSoC5LP. ...................................................................... 71 Figura 62 Esquema de conexión de componentes en Eagle. ................................................ 72 Figura 63 PCB de nodo. ....................................................................................................... 72 Figura 64 Aplicaciones de salida de información LORIOT. ................................................ 73 Figura 65 Registro usuario en AWS. .................................................................................... 74 Figura 66 AWS IoT registro de objeto. ................................................................................ 75 Figura 67 Creación de objetos AWS IoT. ............................................................................ 75 Figura 68 Adición del dispositivo al registro de objetos. ..................................................... 76 Figura 69 Certificado para el objeto nuevo. ......................................................................... 77 Figura 70 Objeto creado correctamente................................................................................ 77 Figura 71 Interacción para asociar AWS y LORIOT. .......................................................... 78 Figura 72 Cadena API REST................................................................................................ 78 Figura 73 Crear nuevo usuario AWS. .................................................................................. 79 Figura 74 Registro nuevo usuario IAM. ............................................................................... 79 Figura 75 Permisos para nuevo usuario IAM. ...................................................................... 80 Figura 76 Revisión información de nuevo usuario. .............................................................. 80 Figura 77 Generación de claves para asociación con LORIOT. .......................................... 81 Figura 78 Configuración el LORIOT para comunicación con AWS IoT. ........................... 81 7.

(8) Figura 79 Verificación Sombra del dispositivo. ................................................................... 82 Figura 80 Creación de nueva regla. ...................................................................................... 83 Figura 81 Temas MQTT. ...................................................................................................... 84 Figura 82 Sentencia SQL utilizada para creación de regla. .................................................. 84 Figura 83 Definir la acción a realizar. .................................................................................. 85 Figura 84 Servicios disponibles de AWS IoT para la nueva regla. ...................................... 85 Figura 85 Configuración acción. .......................................................................................... 86 Figura 86 Creación de tabla DynamoDB. ............................................................................ 87 Figura 87 Creación de tabla completado. ............................................................................. 87 Figura 88 Configuración de acción de DynamoDB completa. ............................................. 88 Figura 89 Base de datos DynamoDB en funcionamiento..................................................... 88 Figura 90 Información recibida en servidor LORIOT.......................................................... 89 Figura 91 Salida de información HTTP Push. ...................................................................... 89 Figura 92 Creación servidor web [60]. ................................................................................. 90 Figura 93 Datos solicitados por comando npm init [60]. ..................................................... 90 Figura 94 Instalación paquete express.js [60]. ..................................................................... 91 Figura 95 Archivo package.json con actualización de paquete instalado [60]. .................... 91 Figura 96 Creación servidor web con express.js [60]. ......................................................... 91 Figura 97 Archivo index.html [60]. ...................................................................................... 92 Figura 98 Mensaje obtenido por consola [60]. ..................................................................... 92 Figura 99 Vista en el navegador del servidor web local[60]. ............................................... 92 Figura 100 Servidor básico propio de inicio. ....................................................................... 92 Figura 101 Contenido archivo Postman.desktop [61]. ......................................................... 93 Figura 102 Verificación por medio de solicitud GET al servidor local. .............................. 94 Figura 103 Verificación por medio de solicitud POST al servidor local. ............................ 94 Figura 104 Comando para descomprimir archivo desde terminal. ....................................... 95 Figura 105 Token de autenticación. ..................................................................................... 95 Figura 106 Ejecución de ngrok en terminal.......................................................................... 95 Figura 107 Configuración salida de LORIOT por HTTP Push. ........................................... 96 Figura 108 Mensaje json recibido por solicitud POST......................................................... 96 Figura 109 Servidor web implementado parte 1. ................................................................. 97 Figura 110 Servidor web implementado parte 3 (conversión hexadecimal a ASCII). ......... 97 Figura 111 Servidor web implementado parte 3 (POST). .................................................... 98 Figura 112 Verificación funcionamiento del servidor sin mapa. ......................................... 98 Figura 113 Líneas html para funcionamiento de Leaflet [63]. ............................................. 99 Figura 114 Archivo html para visualización de datos en mapa de Leaflet. .......................... 99 Figura 115 Mapa con posición actual de nodo en estado estático. ..................................... 100 Figura 116 Implementación prototipo de pruebas con PSoC5LP. ..................................... 101 Figura 117 Implementación prototipo de pruebas con microcontrolador M9SC08AW60. 102 Figura 118 Gateway ubicado para pruebas......................................................................... 102 Figura 119 Nodo para pruebas en vehículo. ....................................................................... 102 Figura 120 Alcance inicial de comunicación. .................................................................... 103 8.

(9) Figura 121 Tarjeta final implementada para el nodo. ......................................................... 103 Figura 122 Configuración salida de LORIOT con url generada en ngrok. ........................ 104 Figura 123 Datos recibidos en el servidor de express. ....................................................... 104 Figura 124 Verificación de trama enviada a LORIOT. ...................................................... 105 Figura 125 Mapa de visualización con datos reales obtenidos desde el nodo. ................... 105 Figura 126 Prueba final de alcance de la red LoRa implementada. ................................... 106. 9.

(10) 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. La necesidad de movilidad ha obligado al desarrollo de diferentes alternativas de transporte, haciendo de este un tema de vital importancia dentro de la planificación urbana y territorial ya que influyen directamente en el funcionamiento general de la ciudad. Es por esto, que en Bogotá se puso en marcha el Sistema Integrado de Transporte Público (SITP), que se perfilaba como la solución innovadora a los problemas de transporte público y movilidad en la ciudad, pero que actualmente presentan rezagos en sus condiciones de operación y niveles de desbordamiento en la capacidad de atención de la demanda [1]. Este sistema de transporte no ha logrado satisfacer de manera óptima dichos problemas de movilidad y ha sumado inconformismo dentro de los usuarios. Actualmente, el SITP moviliza a diario a 1’520.000 pasajeros en las 269 rutas urbanas, complementarias y especiales que cuentan con 5.970 paraderos distribuidos por toda la ciudad de Bogotá [2]. Uno de los principales problemas que afectan directamente a los usuarios es el tiempo de espera en paraderos para poder acceder al servicio de transporte público, este oscila entre 10, 20 y 28 minutos, lo que coloca a la ciudad de Bogotá en la cuidad de Latinoamérica donde las personas dedican más tiempo en su trayecto de viaje, con un promedio de 97 minutos en el uso de transporte público, de acuerdo con el Informe de Uso Global de Transporte Público [3]. Por esta razón, se plantea un sistema de recolección de datos en tiempo real, en una ruta modelo sobre la cual se efectuarán las pruebas pertinentes en donde se buscará saber con certeza la ubicación del autobús. Este sistema estará basado en la tecnología LoRa, donde el dispositivo integrado al vehículo envía información a un gateway, encargado de subir la información a internet y de esta manera los usuarios podrán consultar dicha información a través de sus Smartphones o computadores. La tecnología LoRa de comunicación permite el envío y recepción de información punto-apunto. Lo que caracteriza a un dispositivo LoRa es su largo alcance con un mínimo dispositivo. Para ello emplea la técnica de espectro ensanchado, donde la señal a mandar utiliza más ancho de banda que el necesario teóricamente pero que permite una recepción de múltiples señales a la vez que tengan distinta velocidad. Las frecuencias de comunicaciones que LoRa usan son principalmente las de la banda ISM, aunque la tecnología puede operar en cualquier frecuencia por debajo del 1 GHz. El uso de estas frecuencias se debe a que mientras se respete los valores de emisión, cualquier persona o empresa puede hacer uso de ella sin necesidad de licencia. Así pues, LoRa suele operar en. 10.

(11) las bandas 433 MHz, 868 MHz y 915 MHz. Según el país, estas bandas pueden estar restringidas. Por ejemplo, en Europa no se puede usar la 915 Mhz [4]. Teniendo en cuenta esto, ¿es posible implementar un sistema de recolección de datos en tiempo real flexible, económico y confiable?. 11.

(12) 2. JUSTIFICACIÓN La implementación de un sistema que permita conocer en tiempo real información sobre el servicio de transporte público en la ciudad de Bogotá, permitirá que los usuarios estén informados del estado actual de la ruta a tomar evitando esperas largas e innecesarias para el uso de este servicio. De esta forma, encontramos diferentes consecuencias de alto impacto en el proyecto a realizar: 2.1. Justificación técnica: Alrededor del mundo, los sistemas de transporte inteligente usan tecnologías que permiten y facilitan la gestión de información mediante la recolección y análisis en tiempo real, muchos de estos sistemas cuentan con un modem en cada nodo que se encarga de subir la información recolectada a internet, pero este sistema presenta una alta demanda de recursos para su implementación ya que su costo económico y su consumo energético es bastante alto. Por esto se implementará una red con módulos LoRa los cuales presentan un bajo consumo de energía y no requieren conexión a internet entre nodos, con lo que el uso de módems se reduce solamente a 1 que se encontraría al final de la red, mientras que todos los nodos estarían comunicados con el gateway a través de radiofrecuencia en banda libre de 433MHz proporcionada por los módulos LoRa. 2.2. Justificación social: Con la implementación de este sistema se propone disminuir inconformismos con el servicio a partir de la reducción considerable del tiempo de espera en paraderos, con esto se busca mejorar la calidad de vida de los usuarios con respecto a la seguridad [5]. Así mismo, el aprovechamiento del tiempo destinado a esta espera puede emplearse por el usuario a su gusto, evitando estrés, riesgos y malestar innecesario que perjudican de manera directa la salud de cada uno de ellos. 2.3. Justificación económica: Implementar un sistema de medición de datos en tiempo real utilizando tecnología LoRa reduce considerablemente los costos de implementación: bajo consumo de potencia, alta tolerancia a interferencias, de largo alcance y, como los módulos se comunican entre ellos, solo uno de los módulos estará conectado a la red, reduciendo la cantidad de módems que deben colocarse.. 12.

(13) 2.4. Justificación ambiental: Reduciendo la cantidad de módems y otros dispositivos que deben colocarse para lograr la comunicación necesaria en la red, se disminuye la cantidad de desechos electrónicos contaminantes para el medio ambiente ya que se espera que la duración promedio de vida de un módulo con tecnología LoRa es de aproximadamente 10 años [6], lo que da un amplio rango de tecnología bien empleada, que adicional reduce emisiones de radiación electromagnética. 2.5. Justificación académica: En el ámbito académico este proyecto es bastante interesante, ya que a través de este se pueden poner en práctica los conocimientos adquiridos en diferentes áreas de la ingeniera electrónica, tales como: Comunicaciones: En esta área se hace énfasis en el uso de la tecnología LoRa, en sus propiedades y cualidades que posee como dispositivo de radiofrecuencia de bajo consumo que opera en banda libre. Sistemas Embebidos: En esta aérea el proyecto presenta la posibilidad de incorporar diferentes plataformas de microcontroladores y microprocesadores los cuales se encargarán de ser el corazón del proyecto y a su vez los gestores de periféricos encargados de hacer de este un sistema más robusto, los cuales también se comunicarán mediante los módulos LoRa.. 2.6. Justificación personal: Es de gran importancia para nosotros como ingenieros electrónicos poner en práctica los conocimientos adquiridos durante nuestra etapa educativa en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas para solucionar los problemas que demanda la sociedad en la actualidad.. 13.

(14) 3. OBJETIVOS 3.1.Objetivo general: Diseñar e implementar un prototipo de un sistema embebido para crear una red LoRa que recoja datos en tiempo real de una ruta de transporte público. 3.2.Objetivos específicos: 1. Analizar, estudiar y evaluar las tecnologías relacionadas con la provisión de Sistemas de Transporte Inteligentes. 2. Analizar, estudiar y evaluar el protocolo de comunicación LoRaWAN empleado mediante módulos LoRa. 3. Implementar y diseñar el prototipo del sistema embebido de recolección de datos en tiempo real utilizando tecnología LoRa. 4. Validar el prototipo implementado en una sección de ruta de servicio de transporte público en la ciudad de Bogotá.. 14.

(15) 4. MARCO TEÓRICO 4.1. Sistemas de transporte inteligentes 4.1.1. Introducción El crecimiento acelerado de las grandes ciudades alrededor del mundo trae consigo el aumento de requerimientos en la implementación y adecuación de sistemas de transporte masivos, reducción del impacto ambiental, mejorar la habitabilidad en centros urbanos congestionados y aprovechamiento de la malla urbana, lo que ha impulsado a muchos países alrededor del mundo a avanzar en nuevas tecnologías que permitan resolver este tipo de problemas viales. La aplicación de estas tecnologías en el manejo de grandes redes de transporte urbano se conoce como ITS, sistemas de transporte inteligente, que son esencialmente la fusión del desarrollo en la informática, información tecnológica y telecomunicaciones unidas al sector automotriz experto y de transporte. Las tecnologías de comunicaciones son de gran importancia y potencial en el desarrollo de las ITS: Comunicaciones y multimedias personalizadas y portátiles, comunicaciones inalámbricas, sistemas detectores y de sensores y rastreo de vehículos [7]. Países como China, Estados Unidos y Alemania son algunos de los líderes en la implementación de estas tecnologías en las redes de transporte urbano, dando a otros países bases suficientes y buenas perspectivas frente al diseño y utilización de estos sistemas inteligentes con el objeto de mejorar el tráfico urbano [8], dentro de lo que se puede encontrar redes inteligentes de semáforos, peajes automáticos canalizados, gestión integral de autopistas y túneles, hasta dispositivos inteligentes incorporados a los vehículos comerciales tanto de transporte de pasajeros como de carga. Debido a esto, se puede asumir que un gran factor de competitividad mundial está relacionado con la reducción de costo de transporte y la aplicación de tecnologías en el mismo. 4.1.2. Comunicación de las ITS. Desde el surgimiento de los sistemas de transporte inteligentes se han propuesto varias tecnologías inalámbricas de corto y largo alcance tales como los radio módems en frecuencias VHF y UHF. Para las comunicaciones de corto alcance, donde se refiere a una distancia de máximo 500 metros, se pueden lograr utilizando protocolos IEEE 802.11, empleado por primera vez en 2003 por el tren de cercanías Altamont del área de San Francisco. Para comunicaciones de largas distancias se han propuesto redes de infraestructuras WiMax IEEE 802.16, GSM o 3G, que han funcionado de manera correcta, pero requieren un despliegue de una mayor infraestructura y, por lo tanto, un mayor costo [9].. 15.

(16) Actualmente, los avances en la tecnología inalámbrica de comunicaciones intra-vehiculares, inter-vehiculares (V2V) y entre vehículos e infraestructuras fijas (V2I) se han convertido en eje fundamental de los ITS. Por esto, CEN (Comité Europeo de Normalización) y ETSI (produce estándares aplicables para las TIC a nivel mundial) vieron necesario implementar un estándar para los Sistemas de Transporte Colaborativo de Inteligencia (C-ITS) que permitirá que todos los vehículos producidos por diferentes fabricantes se comuniquen entre sí y con los sistemas de infraestructura vial, ayudando a prevenir accidentes y atascos de tráfico, obras viales y otros riesgos potenciales a la seguridad vial [10].. Figura 1 Escenario de comunicación ITS según ETSI.. Los actores intervinientes en la comunicación ITS interactúan entre sí dependiendo del tipo de red y la configuración necesaria, sin embargo, cada uno presta una función específica dentro del sistema. Las estaciones fijas ofrecen la capacidad de comunicación y la implementación requerida de infraestructura, compuesta por VMS o luces de tráfico. Vehículos equipados con el hardware necesario, celulares y equipos de navegación personal proporcionan y soportan diferentes aplicaciones ITS, poniendo todo el sistema en conexión. En resumen, la arquitectura de comunicación de las ITS consta de cuatro entidades principales: Vehículos, equipamiento de carretera, equipamientos centrales y dispositivos personales; donde cada una de ellas presenta una estación y una puerta de enlace de conexión ITS [10]. 4.1.3. Gestión del tráfico. Los sistemas de transporte urbano se consideran actualmente como un factor de competitividad, sin embargo, un exceso de crecimiento puede llevar a congestiones crónicas que promueven el uso de vehículos particulares y suponen una amenaza mayor para la eficiencia y productividad del sistema. En el caso de América Latina y el Caribe se presentan actualmente condiciones tales como crecimiento poblacional, disminución del tamaño familiar y aumento de la proporción de habitantes en ciudades [11], que combinadas entre sí 16.

(17) traen consigo una consecuencia negativa en el excesivo crecimiento del transporte urbano, creando un sistema de transporte congestionado, poco equilibrado e ineficiente. Por esta razón, las administraciones públicas han visto necesario implementar un sistema de gestión del tráfico, en el que no solamente se tenga en cuenta temas de construcción y mantenimiento de carreteras, sino en lograr que los sistemas trabajen de manera colaborativa, haciendo de esta una operación más efectiva, maximizando la eficiencia y minimizando las inversiones adicionales en infraestructuras [12], por lo que se han desarrollado centros encargados de la gestión de la información relacionada al tráfico TMC, que como su nombre lo indica tienen la función de la gestión de carreteras, gestión de incidencias y la información al viajero. 4.1.3.1. Aplicaciones a la gestión del tráfico [12]. Existen en el mercado muchas aplicaciones de la gestión del tráfico tales como información al usuario tanto de la vía o la ruta de transporte como de las condiciones meteorológicas, tiempo de llegada, límites de velocidad, tarifas, rutas alternativas, congestión vial, entre otros. La primera, información al usuario de la vía, pretende proporcionar al viajero sobre posibles accidentes, deslizamientos, y todo tipo avisos en carretera. Esta información se entrega a través de dispositivos instalados a lo largo de las vías y utilizan señales dinámicas, fijas y radio avisos en carretera.. Figura 2 Información al usuario en vías [12].. Actualmente, a este tipo de mensajes dinámicos se les suma la información proporcionada a todo tipo de teléfonos móviles y tabletas con conexión a internet, que permiten conocer en tiempo real que sucede en la vía. Sin embargo, no se puede olvidar que las aplicaciones móviles que permiten al usuario obtener información en tiempo real del sistema de transporte publico están en auge y son utilizadas por un gran porcentaje de la población que utiliza este tipo de medio para movilizarse. Dichas aplicaciones permiten conocer el estado de las rutas, próximas paradas, tiempo aproximado de llegada y afectaciones que puedan generar retrasos. 17.

(18) en el bus, información que no solo se puede obtener mediante la aplicación, sino que también en pantallas dinámicas dentro de los buses y estaciones. El tráfico urbano es el que se encuentra con mayor afectación de las aplicaciones de estos sistemas de gestión del tráfico por esta razón, el uso de una línea de semaforización inteligente permite mejorar la movilidad ya que este se encuentra recogiendo información en tiempo real del estado de la ruta, por lo que puede adaptar los parámetros del semáforo al tráfico actual de la ciudad. 4.1.4. Arquitectura ITS. Como los ITS constituyen herramientas para mejorar la movilidad, el medio ambiente, el costo – beneficio, la seguridad vial, la productividad y la economía, se necesita establecer una infraestructura regulada para guiar el despliegue [13]: las funciones a realizar en el despliegue, los componentes físicos para llevar a cabo las funciones ya mencionadas, las interfaces y comunicaciones necesarias para permitir el intercambio de datos e información entre los componentes físicos, roles y responsabilidades de las partes involucradas en el despliegue del ITS.. Figura 3 Arquitectura ITS [13]. Esta arquitectura proporciona los requisitos necesarios para la adquisición, instalación y desarrollo de todo tipo de procedimientos de despliegue de los sistemas inteligentes de transporte y permite mejorar la relación existente entre los usuarios y los proveedores del servicio. Estas se basan en un análisis detallado de como los sistemas van a funcionar en conjunto e interactuar entre sí, dando lugar a un conjunto de declaraciones de alto nivel sobre los requisitos del sistema, que son independientes del diseño final y de la tecnología [13]. A partir de esto, se puede describir los aspectos más necesarios e indispensables en la formación de una arquitectura ITS [14]: Identificación y actualización de necesidades, visión de su uso, tecnologías disponibles, trazabilidad de los servicios, desarrollo de programas, marco 18.

(19) regulatorio, proyectos estratégicos, programas de implementación y normalización, metodología de evaluación de proyectos. 4.1.5. Nuevas Tecnologías. Las tecnologías utilizadas en sistemas de transporte inteligentes están encargadas de proporcionar información en tiempo real acerca de vehículos, tráfico, velocidad de irculación, clima, entre otros que permiten el control y la administración confiable. Un claro ejemplo del desarrollo de nuevas tecnologías para la implementación de sistemas inteligentes alrededor del mundo lo tiene la empresa Siemens, con su dependencia denominada Siemens Traffic Solutions que busca mejorar la movilidad, seguridad y rendimiento, disminuyendo la contaminación ambiental y el impacto económico [8]. Teniendo en cuenta esto, la compañía divide el sistema de transporte en diferentes categorías y propone para cada una de ellas soluciones alternativas para hacer más eficiente y dinámica la prestación del servicio. Por ejemplo, el tráfico interurbano, más conocido como intermunicipal, requiere de un tipo especial de centro de control de autopistas, sistemas de llamadas de emergencia, adquisición de datos ambientales y meteorológicos, señales de cierre de carriles, y detección de tráfico; con lo que la empresa Siemens pretende reducir emisiones de gases contaminantes y congestiones que generan un alto costo económico, que actualmente representa el 3% del PIB de España [15]. Para controlar el tráfico urbano, la empresa plantea sistemas de control y gestión, detectores para la adquisición de información del tráfico, sistemas de priorización del tráfico para el transporte público, control del medio ambiente y, como media importante, semáforos y controladores accionados según el tránsito, para lo que se ha empleado tecnología LED que posee menor consumo tanto de potencia, consumo económico y despliegue, poseen mayor durabilidad y contribuyen a la seguridad vial [16]. 4.2. Red de sensores inalámbricos. Se conoce como red de sensores inalámbricos WSN a una red inalámbrica que consiste en dispositivos distribuidos espaciados autónomos utilizando sensores para monitorear condiciones físicas o ambientales, que incorporan un Gateway que provee conectividad inalámbrica de regreso al mundo de cables y nodos distribuidos [17].. 19.

(20) Figura 4 Componentes de WSN gateway y nodos distribuidos [17]. Existen tres tipos de disposición de arquitecturas: en estrella, en el que cada nodo se conecta directamente al gateway; en topología de árbol, donde cada nodo se conecta a otro de mayor jerarquía hasta llegar al gateway y, las redes tipo malla, que son las más utilizadas, donde los nodos transmiten mensajes de unos a otros hasta llegar a la estación base (gateway) que está conectada a través de algún retorno como Ethenet, 3G, GPRS o WiFi a internet, a través del cual viajan hasta los que monitorizan la red [18]. Gracias al desarrollo tecnológico los nodos se hacen cada vez más pequeños tanto en consumo energético (una batería puede durar hasta 10 años) como en tamaño, además del tipo de comunicación por medio de RF, lo que ha favorecido el despliegue de los nodos en entornos urbanos para medir indicadores de tráfico, humedad, contaminación, entre otros. 4.2.1. Principales tecnologías de IOT Cuando se habla de Internet de las Cosas se pueden decir tres cosas fundamentales con respecto a las capacidades de los objetos inteligentes: 1) ser identificables, 2) comunicarse y 3) interactuar con otros objetos o con los usuarios finales u otras entidades en la red [19]. Este concepto de basa a partir del paradigma de “objetos inteligentes” que complementan las entidades existentes en Internet, tales como routers y servidores y se definen como entidades que tienen las siguientes características [20]: Materialización física, conjunto mínimo de funciones de comunicación, tiene asociada una dirección (legible por máquinas) y nombre (legible por humanos) únicos, tiene capacidades básicas de comunicación: desde RFID hasta cálculos bastante complejos, posee medios para detectar fenómenos físicos como temperatura o luz, y para desencadenar acciones que tienen un efecto en la realidad. Teniendo en cuenta esto, las tecnologías de IoT pueden clasificarse en función de sus elementos propios y las interfaces entre ellos, por esto se tienen [21]: 1. Tecnología de objeto conectado: Los objetos conectados son dispositivos basados en plataformas hardware y software que implican capacidad de proceso y programación. 2. Tecnologías de comunicaciones en objetos conectados: La comunicación es fundamental para el desarrollo de IoT, por eso se cuenta con un tipo de conexión directa con un cloud, como lo es el WiFi o la conectividad del celular, Sigfox, LoRa, Weighless, ZigBee, Z- Wave, IEEE 802.15.4.. 20.

(21) 3. Tecnologías aplicativas de red: La conectividad de los objetos es de mucha importancia en las plataformas de IoT, lo que requiere de protocolos de internet (TCP/IP) para ir a la red. 4. Tecnologías de cloud y Big Data: El cloud se sustenta en una arquitectura de servidores de red en donde los grandes como Amazon AWS, Microsoft Azure o IBM llevan la dirección. 5. Tecnologías de aplicación: Se considera ya una red de objetos conectados en una plataforma IoT de tal forma que el usuario final interactúe con una aplicación, de valor añadido y utilidad, que proporcione información al sistema. 4.2.2. Tecnología LoRa LoRa es un sistema de comunicaciones de largo alcance y baja potencia que pretende ser utilizado en dispositivos alimentados con baterías de larga duración y bajo consumo de energía. Este se refiere a dos capas distintas: la primera es una capa física que utiliza la técnica de modulación de radio CSS que permite aplicaciones de largo alcance, baja potencia y comunicaciones de bajo rendimiento, y la segunda hace referencia a un protocolo de capa MAC (LoRaWAN), que proporciona un mecanismo de control de acceso al medio, que permite a muchos dispositivos finales comunicarse con una puerta de enlace utilizando modulación LoRa [22]. Adicional a esto, se define como un espectro de modulación ensanchado propio de Semtech derivado de la modulación de espectro ensanchado con chirps (CSS) [23], que tienen como finalidad mejorar la sensibilidad a costa de una reducción en la tasa de datos para un ancho de banda (BW) dado, para lo que utiliza factores de ensanchamiento (SF) ortogonales que optimiza el desempeño de la red con un ancho de banda constante [24]. 4.2.2.1. Modulación LoRa [23]. LoRa se puede ver como una implementación de la capa física y no depende de otras capas superiores. En la modulación LoRa se logra obtener el espectro ensanchado generando una señal chirp que varía continuamente en frecuencia, que tiene como ventaja que las variaciones de temporización y frecuencia entre el transmisor y el receptor son equivalentes, reduciendo la complejidad del receptor. La señal deseada es ensanchada y modulada sobre un chirp, por lo que la relación entre la tasa de datos deseada, la tasa de símbolos y la tasa de chips para LoRa, permiten tener a LoRa como el mejor candidato para IoT: Ancho de banda escalable, bajo consumo energético, alta robustez, resistente a desvanecimiento, capacidad de amplia cobertura, capacidad de red mejorada. 4.2.2.2. Arquitectura LoRa. La configuración LoRa consta de cuatro parámetros fundamentales que permiten determinar rango de transmisión, resiliencia al ruido y consumo de energía [23]: 1. Frecuencia de 21.

(22) portadora que se refiere a la frecuencia central para la banda de transmisión; 2. Factor de propagación, que representa la relación entre la tasa de símbolos y la tasa de chips, de esta forma, un factor de propagación alto aumenta la relación señal a ruido, la sensibilidad y el rango, así como el tiempo del paquete; 3. Ancho de banda, es el rango de frecuencias de transmisión banda, lo que implica que a mayor ancho de banda se produce una mayor tasa de datos, pero una menor sensibilidad; 4. Tasa de codificación, es la tasa FEC utilizada por el módem LoRa y ofrece protección contra ráfagas de interferencias. De igual forma, la tecnología LoRa se basa principalmente en tres componentes [25] que son: dispositivos terminales, que corresponden a sensores y actuadores que se conectan por interfaz de radio LoRa con una o más puertas LoRa. Puertas LoRa o Gateways, encargados de conectar los dispositivos terminales con el servidor de red LoRa, que es el elemento central de la arquitectura de red y, servidor LoRa, que como su nombre lo indica, es el servidor que controla toda la red (administración de recursos de radio, control de admisión, seguridad, etc.). Figura 5 Arquitectura LoRa [25].. 4.2.2.3. Protocolo LoRaWAN, Este es un protocolo MAC para usar en la capa física de LoRa que está diseñado principalmente para redes de sensores, donde los sensores intercambian paquetes con el servidor a una baja velocidad de datos e intervalos de tiempo relativamente largos [22]. En esta, se presenta una topología de estrella donde los nodos transmiten directamente a la puerta que está conectada y alimentada a una estructura principal. La conexión gateway - servidor es mediante IP y la conexión gateway – nodo es mediante LoRa, donde los nodos no se hablan entre ellos [18]. La comunicación se realiza de forma bidireccional entre nodos, gateways y servidor a través de diferentes frecuencias y tasas de datos. A continuación, se presenta la arquitectura detallada de LoRaWAN cuyos principales actores son los dispositivos terminales, sensores de baja potencia que se comunican con los gateways a través de LoRa; los gateways, que son dispositivos intermedios que envían paquetes recibidos de los dispositivos finales a un servidor de red mediante una interfaz de red como Ethenet o 3G que permite mayor rendimiento; y los servidores de red, encargados de 22.

(23) decodificar y de – duplicar los paquetes enviados por los dispositivos finales y generando las respuestas que deben enviarse de vuelta [22].. Figura 6 Arquitectura LoRaWAN [18].. 4.2.2.3.1. Canales y velocidades de transmisión. Gracias a la utilización del espectro ensanchado se pueden enviar varias portadoras por un mismo canal con diferentes velocidades de datos y no interfieren entre sí, creando un conjunto de canales virtuales que amplían la velocidad del gateway [26]. De este modo, los nodos pueden transmitir por cualquier canal disponible en cualquier momento y utilizando cualquier tasa de datos disponible, teniendo en cuenta que [27]: Los nodos cambian de canal de forma aleatoria en cada transmisión que se realiza, haciendo el sistema robusto a interferencias y, los nodos respetan la máxima duración de transmisión permitida y el máximo ciclo de trabajo. En general, los módulos LoRaWAN cuentan con 16 canales en las bandas de 433 MHz y 868 MHz y 72 canales para 900 MHz. La distribución de frecuencias se detalla en la siguiente tabla, donde: * hace referencia a que los canales restantes se pueden configurar dentro de los rangos establecidos, con un ancho de banda de 125 KHz para de 868 MHz y para la banda de 433 MHz [28]. Los canales del 3 al 15 se encuentran en estado OFF por defecto, por lo que el administrador de la red debe adecuarlo a través del ciclo de trabajo.. Figura 7 Canales de frecuencia [28]. 23.

(24) 4.2.2.3.2. Clases LoRaWAN [24] Se definen tres clases diseñadas para diferentes aplicaciones, en las que se exige que todos los dispositivos con tecnología LoRaWAN implementen por lo menos la clase A y se compatibles con ella misma.. Figura 8 Clases de LoRaWAN [26]. Teniendo en cuenta esto, se explican a continuación las clases diseñadas para LoRaWAN:  . . Clase A que permiten comunicación bidireccional, ya que luego de cada transmisión uplink (nodo al servidor) existen dos ventanas downlink (servidor al nodo), de esta forma consume menos energía, Los dispositivos de Clase B permiten más ventanas de recepción, para lo que envía Beacons desde el gateway para fijar el tiempo en el que el dispositivo final debe estar en modo de escucha. Clase C, en la que las ventanas de escucha son continuas, es decir, estas se cierran únicamente cuando se encuentra transmitiendo. Este tipo de dispositivos ofrecen menos latencia entre el servidor y el dispositivo final, por lo que consumen más energía para su funcionamiento.. 4.2.2.3.3. Seguridad LoRaWAN [27] La seguridad en un sistema de información urbano es de gran importancia ya que puede contener datos que necesitan ser protegidos. Por este motivo, el sistema LoRaWAN incorpora varias capas de cifrado que hacen uso del algoritmo de cifrado AES128, en los que se tienen 3 posibilidades con claves de 128 bits: - Network Session Key que garantiza la seguridad a nivel de red y que permite verificar la validez de los mensajes. - Application Session Key que garantiza la seguridad de extremo a extremo en la capa de aplicación. Es la clave de cifrado entre el nodo terminal y la aplicación de red, de tal forma que el usuario solo pueda conocer el contenido del mensaje. - Application Key que garantiza la seguridad de extremo a extremo en el nivel de aplicación, utilizando únicamente OTAA. Esta clave se emplea para determinar la clave de sesión.. 24.

(25) 4.2.2.4. Activación de un nodo. El término nodo se refiere a un sistema con la capacidad de recolectar, almacenar y comunicar información e interactuar con el entorno por medio de actuadores o con otros sistemas de la red, tales como gateways, servidores y otros nodos [29]. Estos generalmente son sistemas pequeños que tienen bajo consumo de potencia, lo que los hace de bajo costo y se componen generalmente de controladores, que suelen ser una placa integrada que incluye CPU, buses y memoria; transceptores, que permiten que el dispositivo pueda conectarse tanto a la red como a otros dispositivos de manera inalámbrica; sensores, que tienen la función principal de recolectar información a través de conexiones con los buses hacia la CPU y memoria; y actuadores, encargados de generar los cambios en el entorno provenientes desde el controlador. Ahora, la activación de los nodos puede darse de dos formas: OTAA o ABB [30]. Cuando se habla de OTAA se refiere a una activación por aire, que corresponde a la manera más segura de conectarse a la red ya que como su nombre lo indica, la sesión se activa por aire y se renueva cada vez que el dispositivo es apagado o reiniciado. Por otro lado, el modo de activación de nodo ABP, activación por personalización, es aún mucho más sencillo, pero disminuye considerablemente la seguridad de la red. 4.2.3. Sistema embebido. Para poder hablar de un sistema embebido se debe primero entender su definición: Sistema de computación diseñado para realizar una o algunas funciones dedicadas frecuentemente en tiempo real, diseñados para cumplir funciones específicas, disminuir tamaño, costo y consumo, mejorar el desempeño. Un sistema embebido en general está compuesto por un microprocesador, un software que requiere que se disponga de cierta cantidad de memoria, entradas y salidas que permiten conectarlo con el exterior [32]. Debido a la complejidad que se tiene con este tipo de sistemas y los amplios campos de aplicación en los que se pueden implementar, se debe analizar cada aspecto de su funcionamiento detenidamente, como se presenta a continuación. - Microprocesador, encargado de realizar las operaciones de cálculo principales de todo el sistema además de dirigir el funcionamiento de los demás elementos que lo rodean. - Memoria que almacena el código de los programas que pueden ser ejecutados por el sistema. Esta debe tener un acceso a lectura y escritura lo más rápido posible para que no se pierda tiempo en tareas rutinarias que no sean cálculos. - Memoria caché que tiene la función principal de realizar las tareas repetitivas, ahorrando tiempo ya que no será necesario acudir a la memoria principal si el dato o la instrucción ya se encuentra en la caché.. 25.

(26) -. Disco duro que almacena toda la información que no es volátil, además de tener un gran tamaño de almacenamiento. Puertos de entrada / salida (I/O), en los que se pueden conectar e intercambiar información con la memoria y el procesador central que utilizan registros para el almacenamiento temporal de varios tipos de datos. Pueden ser de varios tipos: puerto serie en los que se transfiere información bit a bit de forma secuencial; puertos paralelos en los que se transfieren en paralelo, es decir, por byte; y los puertos universales USB.. Figura 9 Arquitectura Sistema Embebido [31].. 4.2.3.1.Módulo Transceptor de RF RN2903 El módulo transceptor RN2903 cuenta con modulación RF de tecnología LoRa, que proporciona comunicación de amplio espectro de amplio alcance con alta inmunidad a interferencias. Usando la técnica de modulación de la tecnología LoRa, RN2903 puede lograr una sensibilidad del receptor de -146 dBm. La alta sensibilidad combinada con el amplificador de potencia de salida integrado de +18.5 dBm produce un presupuesto de enlace líder en la industria, lo que lo hace óptimo para aplicaciones que requieren rango y robustez extendidos. [32]. RN2903 tiene la pila de protocolos completa de LoRaWAN™ en el módem y es fácil de configurar a través de simples comandos ASCII a través del UART, lo cual reduce considerablemente el tiempo de desarrollo. RN2903 es certificado por FCC que ahorra significativos costos de certificación. Además,. 26. Figura 10 Módulo RF RN2903 [32].

(27) combina un factor de forma pequeño, de 17.8 x 26.7 mm × 3 mm, con 14 GPIO, proporcionando la flexibilidad para conectar y controlar un gran número de sensores y actuadores teniendo muy poco espacio. El módem RN2903 resuelve el dilema inalámbrico del programador de elegir entre una gama más extensa y un menor consumo de energía. Mediante el empleo del RN2903, un desarrollador puede maximizar ahora ambos, eliminando el costo de los repetidores adicionales y aumentando la duración de la batería. Con su escalabilidad, comunicación robusta, movilidad y la capacidad para operar en entornos hostiles al aire libre, el RN2903 es ideal para una amplia gama de diseños de control y monitoreo inalámbrico de baja velocidad de datos [33].. Figura 11 Diagrama de bloques RN2903 [32].. Este módulo tiene un alcance superior a 15 km, un bajo consumo de energía permitiendo una vida útil de la batería de 10 años, opera en una banda de 915 MHz, interfaz de comandos ASCII sobre UART fácil de usar, excelente inmunidad a la interferencia lo que lo hace ideal para aplicaciones de IoT, medición, M2M, ciudad inteligente, redes de sensores, automatización industrial y casas inteligentes [33]. 4.2.3.2.Gateway LoRaWAN Un gateway o puerta de enlace es un dispositivo, con frecuencia un ordenador, que permite interconectar redes con protocolos y arquitecturas diferentes a todos los niveles de comunicación. Su propósito es traducir la información del protocolo utilizado en una red al protocolo usado en la red de destino. El gateway es normalmente un equipo informático configurado para dotar a las máquinas de una red local (LAN) conectadas a él de un acceso hacia una red exterior, generalmente realizando para ello operaciones de traducción de direcciones IP (NAT: Network Address Translation). Esta capacidad de traducción de direcciones permite aplicar una técnica llamada. 27.

(28) IP Masquerading (enmascaramiento de IP), usada muy a menudo para dar acceso a Internet a los equipos de una red de área local compartiendo una única conexión a Internet y, por tanto, una única dirección IP externa [34]. Debido a la aplicación a implementar se requiere de una puerta de enlace, al menos un nodo y un servidor local en el que se puedan supervisar los dispositivos vinculados a la red. A partir de esto, se hace necesario la obtención de un kit que proporciona una puerta de enlace y un servidor local que permite almacenar y recopilar datos. Este kit de Seeed, empresa dedicada soluciones de IoT, está diseñado para implementarse sobre un Raspberry Pi 3 utilizando un módulo de puerta de enlace RHF0M301, que es un canal de puerta de enlace LoRaWAN de 10 canales (8 x Multi-SF + 1 x LoRa + 1 x FSK) con un puerto DIP de 24 pines a bordo; y un puente PRI 2 RHF4T002. Así mismo, el kit descrito anteriormente tiene un bajo consumo de energía, permite un monitoreo de la aplicación en tiempo real y presenta una solución económica para construir una red LoRa/LoRaWAN. Figura 12 Gateway LoRa/LoRaWAN para Raspberry Pi 3 [34].. 4.2.3.2.1. Raspberry Pi 3 B+ Raspberry Pi es un tablero de computadora pequeño, poderoso, económico y con énfasis en la educación, de tal forma, que funciona como un computador estándar: necesita un teclado para digitar los comandos, una unidad de pantalla y una fuente de alimentación. Así mismo, contiene los componentes básicos de un sistema computacional tales como unidad de procesamiento y gráficos, hardware de audio y comunicaciones y un chip de memoria. La Raspberry Pi 3 Modelo B + es el último producto de la gama Raspberry Pi 3, que ofrece un procesador de cuatro núcleos de 64 bits que funciona a 1,4 GHz, LAN inalámbrica de banda dual de 2,4 GHz y 5 GHz, Bluetooth 4.2 / BLE, Ethernet más rápida y PoE capacidad a través de un PoE HAT independiente La LAN inalámbrica de banda dual viene con una certificación de cumplimiento modular, lo que permite que la placa se diseñe para productos finales con pruebas de cumplimiento de LAN inalámbrica significativamente reducidas, lo que mejora el costo y el tiempo de comercialización. [35].. 28.

(29) El componente central de una tarjeta Raspberry Pi es la CPU, encargada de llevar a cabo todas las instrucciones de un ordenador, capaz de realizar operaciones aritmético lógicas gracias a su procesador ARM de bajo costo, potencia y de gran capacidad. Una de las principales ventajas que ofrece este dispositivo para el desarrollo de aplicaciones de IoT es su bajo consumo de energía, por lo que la tarjeta tiene incorporada componentes de hardware de baja potencia y ciclos de operación de trabajo bajo, adicionalmente debe incluirse en el desarrollo de la aplicación soluciones que reduzcan considerablemente el flujo de datos tanto de sensores como de protocolos específicos. Teniendo en cuenta esto, se sabe a partir de la hoja de datos de la tarjeta, que esta requiere para su funcionamiento hasta 2000mA [35] que pueden ser proporcionados por medio de una fuente de 5V 2A, sin embargo, debe tenerse presente que por sus puertos USB no debe excederse una corriente de salida de 100mA.. Figura 13 Raspberry Pi 3 Model B + [35].. Así como lo hace cualquier otro computador, la Raspberry Pi requiere de un sistema operativo. La opción de Linux denominada Raspbian, que se ejecuta principalmente en el procesador ARM de la misma, es de código abierto y gratuito, lo que facilita el acceso y mantiene el bajo costo de este dispositivo [36]. Raspbian posee un entorno amigable similar al de Windows que, adicionalmente, trae preinstalado un software útil para escribir código que agiliza la labor del programador. La facilidad de acceso tanto a la tarjeta de desarrollo como al sistema operativo para su programación hacen de este dispositivo una plataforma ideal para el desarrollo de aplicaciones de IoT, que requieren de sensores, receptores, transmisores, entre otros dispositivos de baja potencia y largo alcance, de tal forma de implementar una red de recolección de datos eficiente y completa.. 29.

(30) 4.2.3.3. Microcontrolador MC9S08AW60 [37] La utilización de un microcontrolador para el desarrollo de nuestra aplicación es necesario para poder controlar y monitorear los módulos LoRa, tanto implementados en los paraderos como en los vehículos, para esto se utilizarán microcontroladores de Freescale de referencia MC9S08AW60 debido a su funcionalidad y su fácil acceso, además de su énfasis en aplicaciones automotrices, industriales y de electrodomésticos. El microcontrolador (MCU) MC9S08AW60 hace parte de la familia de unidades de microcontroladores HCS08 de bajo costo y alto rendimiento que permite aplicaciones de 5 voltios. Es un MCU altamente integrado con múltiples características valiosas: - 60K de memoria flash programable en circuito y en chip con protección de bloque y opciones de seguridad. - 2K de RAM en chip. - Generador de reloj interno flexible que elimina la necesidad de utilizar componentes externos. - Detector de bajo voltaje. - Convertidores analógico digital ADC de alto rendimiento de 16 canales, 10 bits. - CPU HCS08 de 40MHz. - Sistema interno de depuración de fondo. - Dos comparadores. - Módulos de activación (nueve). - FIFO (ocho) profundos para almacenar direcciones de cambio de flujo y datos de solo eventos. - Dos módulos de interfaz de Figura 14 Microcontrolador MC9S08AW60 [38]. comunicación serie (SCI). - Módulo de interfaz serial periférica (SPI). - Monitor de voltaje externo que permite el monitoreo de nivel de entrada con un punto de activación seleccionable. - Generación de interrupciones. - Fuentes de reloj: cristal, resonador, reloj externo, reloj generado internamente con recorte de precisión. - Módulo I2C para funcionar hasta 100Kbps. - Modulador de ancho de pulso. - Módulos de temporizadores configurables para PWM. - Pines de alta corriente (ocho). - Pines de entrada/salida de propósito general (52).. 30.

(31) Este microcontrolador permite trabajar entradas y salidas de propósito general en paralelo, distribuidos en 7 puertos para un total de 54 pines. Estos pines son controlados por software y están destinados a diversas funciones tales como temporizadores, ADC, SCI, SPI, I 2C, relojes, y sensores externos que se necesiten para la realización de la aplicación final. 4.2.3.4. Módulo GPS NEO 6M [38]. La serie de módulos NEO-6 es una familia de receptores GPS autónomos con el motor de posicionamiento u-blox 6 de alto rendimiento. Estos receptores flexibles y rentables ofrecen numerosas opciones de conectividad en un paquete en miniatura de 16 x 12.2 x 2.4 mm. Su arquitectura compacta y sus opciones de energía y memoria hacen que los módulos NEO-6 sean ideales para dispositivos móviles que funcionan con baterías con costos y restricciones de espacio muy estrictos. El motor de posicionamiento u-blox 6 de 50 canales cuenta con un tiempo de corrección (TTFF) de menos de 1 segundo. El motor de adquisición dedicado, con 2 millones de correladores, es capaz de realizar búsquedas masivas paralelas en el espacio de tiempo / frecuencia, lo que le permite encontrar satélites al instante. El diseño y la tecnología innovadores suprimen las fuentes de interferencias y mitigan los efectos de múltiples rutas, brindando a los receptores GPS NEO-6 un excelente Figura 15 Módulo GPS NEO 6M [38] rendimiento de navegación incluso en los entornos más difíciles. La comunicación entre satélites y receptor se realiza comúnmente mediante el envío de paquetes con sentencias conocidos como comandos NMEA (National Marine Electronic Asociation). Asociación que se encarga de definir un protocolo estándar de comunicación de datos, la última versión NMEA-0183 del año 2001. Todos los datos son transmitidos en sentencias con caracteres ASCII, en cada sentencia comienza con el símbolo ‘$’ y termina con ‘CR o LF’. Los siguientes 2 caracteres después de ‘$’ son los que identifican al equipo, ‘GP’ (por ejemplo: se utiliza para identificar datos GPS), los tres siguientes caracteres que le siguen son el identificador del tipo de sentencia que se envía. Los tipos de sentencias NMEA que existen corresponden a envío, origen del equipo y consulta.. 31.