Título: “Propuestas de antenas para módulos LPWAN”
Autor: Airam Liroy Padrón Rodríguez Tutor: Msc. Tuan E. Cordoví Rodríguez
, Mes y Año
Departamento de Telecomunicaciones y Electrónica
Title: “Antenna Proposals for Modules LPWAN”
Author: Airam Liroy Padrón Rodríguez
Thesis Director: Msc. Tuan E. Cordoví Rodríguez
, Mes y Año
Telecommunications and electronics departament
Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria
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PENSAMIENTO
“No necesito saberlo todo, tan solo necesito saber dónde encontrar aquello que me hace falta cuando lo necesito.”
Albert Einstein
DEDICATORIA
Dedico esta tesis a:
Mi hijo Mario Ángel por ser lo más grande que ha sucedido en mi vida, por estar cada segundo del día cerca de mí y enseñarme tantas cosas hermosas, por cambiar mi día con tan solo una mirada o una sonrisa.
Mi mama por estar siempre presente en cada momento de mi vida, por guiarme y orientar mi vida con tanta perfección pues a ella le debo quien soy hoy en día.
Mi hermana por estar siempre apoyándome y aconsejándome a pesar de estar lejos, por no dejar que la distancia se convirtiera en un obstáculo y estar siempre muy cerca de mí y de la familia.
Mi esposa por estar siempre a mi lado sin importar el momento, por ayudarme a construir esta hermosa familia.
Mis abuelos por darme el cariño que tanto necesite en muchas ocasiones, y por ser el motor impulsor para que hoy en día me gradúe como ingeniero.
Mis tíos por estar siempre brindando ayuda, consejos y experiencias tanto en el plano social como profesional.
Mi papa por brindarme ayuda cuando la he necesitado, por enseñarme como ser un padre excepcional para mi hijo.
AGRADECIMIENTOS
A mi madre por estar siempre presente cuando he necesitado, por su apoyo incondicional.
A mi esposa e hijo por estar siempre a mi lado y ayudarme a ser una mejor persona cada día.
A mi hermana por el gran apoyo que me ha brindado siempre.
A mi tutor MSc. Tuan Ernesto Cordoví Rodríguez de la Empresa de Antenas de Villa Clara por las enseñanzas y la ayuda que me brindo en cada momento; y por la amistad que se construyó en este periodo de realización de la tesis.
A mis amigos y compañeros de estudio en especial a Andy, Greisy, José Ramón que siempre me brindaron la mano para ayudarme.
A mis compañeros de cuarto en el U2: Tito, Asmel y Michel por siempre ayudarme cuando necesite de ellos.
A los buenos profesores que tuve a lo largo de mi vida de estudiante y a la gran cantidad de enseñanzas que obtuve de ellos.
A todos los que de una forma u otra han puesto su granito de arena en mi formación tanto académica como social.
TAREA TÉCNICA
1. La realización de un estudio de la bibliografía existente.
2. Obtención de los diferentes parámetros constructivos y de diseño de las antenas propuestas.
3. El diseño y simulación de antenas en CST Microwave Studio y módulo de RF en EAGLE.
4. Construcción de los prototipos de antenas y módulo de RF SIGFOX.
5. La evaluación de la efectividad de las propuestas mediante mediciones reales.
Firma del Autor Firma del Tutor
RESUMEN
El presente trabajo está encaminado al diseño de antenas para mejorar el desempeño de los módulos LPWAN. Para dar cumplimiento al propósito de este trabajo se analizaron varios documentos con los que se pudieron estudiar las características de las antenas para un posterior diseño con la ayuda del software profesional CST MICROWAVE STUDIO 2018.
La antena seleccionada fue la Inverted F Antenna (IFA), luego de haber sido simulada la antena y obtenidos los parámetros deseados, fue construido un prototipo y realizadas las mediciones pertinentes. Los resultados obtenidos en las mediciones para las pérdidas por retorno, razón de onda estacionaria (ROE) y ganancia mostraron características propias de sistemas profesionales y mejoran considerablemente el desempeño del dispositivo.
TABLA DE CONTENIDOS
PENSAMIENTO ... iv
DEDICATORIA ... v
AGRADECIMIENTOS ... vi
TAREA TÉCNICA ... vii
RESUMEN ... viii
INTRODUCCIÓN ... 1
CAPÍTULO 1. INTRODUCCION A LAS REDES LPWAN ... 4
1.1 Internet de las Cosas ... 4
1.1.1 Elementos de Internet de las Cosas ... 5
1.1.2 Seguridad de IoT ... 6
1.1.3 Aplicaciones de IoT ... 7
1.2 Redes de Bajo Consumo LPWAN ... 7
1.2.1 Fundamentos de la Modulación ... 10
1.2.2 Estándares LPWAN ... 11
1.3 Redes SIGFOX ... 12
1.3.1 Características de tecnología SIGFOX ... 13
1.3.2 Arquitectura de red ... 15
1.3.3 Módulo de RF SFM10R2 ... 16
1.4 Redes LORA ... 17
1.4.1 Alianza LORA ... 18
1.4.2 LORAWAN ... 18
1.4.3 Módulo Multitech xDot ... 20
1.5 Aplicaciones IoT ... 20
1.5.1 Aplicaciones relevantes ... 21
1.5.2 Sensores ... 23
1.6 Antenas para aplicaciones LPWAN ... 24
1.6.1 Antena Monopolo 2J0B15 ... 24
1.6.2 Antena 2JF0304P ... 25
1.6.3 Antena SW915-TH12 ... 26
1.7 Propuesta de antena para mejorar el desempeño de los módulos LPWAN ... 26
1.7.1 Inverted-F Antenna (IFA) ... 26
1.8 Conclusiones del capítulo ... 27
CAPÍTULO 2. PROPUESTAS DE DISEÑO CON ANTENAS PARA MODULO DE RF LPWAN 29 2.1 Herramientas utilitarias para el diseño ... 29
2.1.1 CST-Studio Suite ... 29
2.1.2 EAGLE: Herramienta para el diseño de PCB ... 31
2.1.3 JLCPCB: Plataforma web para la fabricación de prototipos de PCB ... 31
2.2 Criterios de diseño de la placa de desarrollo de pruebas para antena monopolo de 915 MHz y la PCB para el módulo de RF ... 32
2.2.1 Placa de desarrollo 2JDB0203-C831G ... 32
2.2.2 Carcasa impermeable WP10-4C ... 33
2.3 Diseño de la placa de desarrollo de prueba 90x60 mm para el monopolo 2J0B-915 34
2.3.1 Simulación de PCB de desarrollo con línea de microcinta ... 34
2.4 Diseño del módulo de RF SIGFOX con la antena monopolo 2J0B-915 ... 36
2.4.1 Diseño del circuito ... 36
2.4.2 Diseño del PCB ... 38
2.5 Diseño de antena IFA en PCB para módulo de RF SIGFOX ... 39
2.5.1 Criterios de diseño de la antena IFA para 915 MHz ... 39
2.5.2 Modelado y Simulación de la antena IFA en PCB para 915 MHz ... 41
2.6 Diseño del módulo de RF SIGFOX con la antena IFA en el PCB ... 44
2.6.1 Diseño del circuito ... 45
2.6.2 Diseño del PCB ... 45
2.7 Fabricación del prototipo de la placa con el módulo RF en JLCPCB ... 47
2.8 Conclusiones del capítulo ... 48
CAPÍTULO 3. VALORACIÓN DE DESEMPEÑO DE LAS ANTENAS Y EL MÓDULOS DE RF LPWAN ... 49
3.1 Instrumentos para las mediciones radioeléctricas ... 49
3.1.1 Analizador Vectorial de Redes CEYEAR 3672A ... 49
3.1.2 Analizador de Espectros DEVISER DSA-8853T ... 50
3.1.3 Generador de Señales CEYEAR 1435B ... 51
3.1.4 Antena Patrón DEVISER 900J ... 53
3.2 Mediciones de la antena monopolo 2J0B15-915 con PCB diseñado como plano de tierra 53 3.2.1 Comprobación de los Parametros S la placa para pruebas ... 54
3.2.2 Mediciones de los parámetros de entrada de la antena 2J0B15-915 ... 56
3.2.3 Pérdidas por Retorno ... 57
3.2.4 Razón de Ondas Estacionarias ... 57
3.2.5 Impedancia ... 58
3.3 Mediciones de la Antena IFA en PCB ... 59
3.3.1 Pérdidas por Retorno ... 61
3.3.2 Razón de Ondas Estacionarias ... 62
3.3.3 Impedancia ... 64
3.4 Comparación de Ganancia de Potencia ... 65
3.5 Conclusiones del Capítulo... 67
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 69
Conclusiones ... 69
Recomendaciones ... 69
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 71
ANEXOS ... 74
Anexo I Componentes para la calibración de VNA 3672A ... 74 Anexo II Disposición de los instrumentos y antenas para las mediciones de potencia recibida 75
INTRODUCCIÓN
Hoy en día, la arquitectura de la información basada en Internet permite el intercambio de bienes y servicios entre todos los elementos, equipos y objetos conectados a la red. La IoT se refiere a la interconexión en red de todos los objetos cotidianos, que a menudo están equipados con algún tipo de inteligencia. En este contexto, Internet puede ser también una plataforma para dispositivos que se comunican electrónicamente y comparten información y datos específicos con el mundo que les rodea. Así, la IoT puede verse como una verdadera evolución de lo que se conoce como Internet añadiendo una interconectividad más extensa, una mejor percepción de la información y servicios inteligentes más completos. En su mayor parte, se utilizó la Internet para protocolos orientados a la conexión de aplicaciones como HTTP (Protocolo de transferencia de hipertexto) y SMTP (Simple Mail Transfer Protocol). Sin embargo, hoy en día un gran número de dispositivos inteligentes se comunican entre ellos y con otros sistemas de control. Este concepto se conoce como M2M (comunicaciones de máquina a máquina).
El término: Internet de las Cosas fue utilizado por primera vez por Kevin Ashton en 1999 que estaba trabajando en el campo de la tecnología RFID en red (identificación por radiofrecuencia) y tecnologías de detección emergentes. Sin embargo, la IoT surgió en algún momento entre 2008 y 2009[1]
En 2010, el número de objetos físicos cotidianos y dispositivos conectados a Internet fue de alrededor de 12,5 mil millones. En la actualidad hay cerca de 25 mil millones de dispositivos conectados a la IoT. Más o menos un dispositivo inteligente por persona [1].Se espera que el número de dispositivos inteligentes o "cosas" conectados a la IoT será de más de 50 mil millones en 2020.
La IoT introduce un cambio radical en la calidad de vida de las personas, ofreciendo una gran cantidad de nuevas oportunidades de acceso a datos, servicios específicos en la educación, en seguridad, asistencia sanitaria o en el transporte, entre otros campos. Por otra parte, será la clave para aumentar la productividad de las empresas, ofreciendo una amplia distribución de la red, redes locales inteligentes de dispositivos inteligentes y nuevos servicios que pueden ser personalizados según las necesidades del cliente. La IoT trae beneficios de mejora de la gestión y el seguimiento de los activos y de los productos, aumenta la cantidad de datos de información y permite la optimización de equipos y uso de los recursos que puede traducirse en ahorro de costes. Además, ofrece la oportunidad de crear nuevos dispositivos interconectados inteligentes y explorar nuevos modelos de negocio.
Objetivo General:
Proponer antena que mejore el desempeño de los módulos LPWAN para su implementación en dispositivos para mediciones.
Objetivos específicos:
1. Caracterizar los parámetros de las redes, módulos y antenas LPWAN.
2. Diseñar nuevos modelos de antenas monopolos con para módulos LPWAN.
3. Validar el desempeño práctico de la antena propuesta.
Interrogantes Científicas:
¿Qué características poseen las redes LPWAN en el internet de las cosas (IoT)?
¿Qué características poseen las antenas para redes LPWAN?
¿Cómo diseñar nuevos modelos de antenas para módulos LPWAN?
Organización del Informe:
El informe de la investigación estará conformado por tres capítulos con las siguientes temáticas:
CAPITULO I: Se dedicará a la caracterización de las metodologías de diseño de antenas y al estudio comparativo de las características de las antenas presentes en el módulo y propuestas.
CAPITULO II: Se pretende desarrollar el diseño de las antenas y su simulación en el software CST Microwave Studio 2018 para su comparación.
CAPITULO III: Se desarrollan todas las mediciones realizadas con el modulo real de la antena y su posterior implementación. Las mediciones realizadas al prototipo de antena permitieron comparar el prototipo con el modelo original simulado.
El trabajo arrojará conclusiones donde se establezca un análisis de los resultados obtenidos.
En las recomendaciones se tomarán en consideración aspectos que se puedan perfeccionar, además de enriquecer el trabajo en futuras investigaciones. Las referencias bibliográficas conforman un listado de la bibliografía utilizada teniendo en cuenta las normas establecidas. Los anexos incluyen aquellos aspectos del trabajo que por su longitud o complejidad no se incluyen en el texto de la tesis pero que auxilian a una mejor comprensión de lo que se expone en ella.
CAPÍTULO 1. INTRODUCCION A LAS REDES LPWAN
Este capítulo se dedicará a la caracterización de las metodologías de diseño de antenas y al estudio comparativo de las características de las antenas presentes en el módulo y propuestas.
1.1 Internet de las Cosas
La Internet de las cosas está formada por dispositivos muy inteligentes que se comunican entre sí para formar una red [2]. Estas redes, junto con su software, también incluyen los dispositivos de hardware que recopilan datos ambientales y los pasan entre otros dispositivos. Estos dispositivos se pueden usar en varios lugares para cumplir múltiples propósitos. El interés cada vez mayor en el IoT va de la mano con la disminución de los precios de los dispositivos de IoT a lo largo de los años. La frecuencia de comunicación para los dispositivos IoT varía de 13,56 MHz, para aplicaciones como pagos sin contacto [3], a 2,4 GHz o más para aplicaciones que necesitan transmisión de video. Aparte de excluir algunas de las tecnologías [4], la mayoría de las tecnologías LPWAN operan en bandas ISM (Industrial, Científica y Medicina) Sub-GHz. Operar a frecuencias más bajas da un registro de características diferentes cuando se compara con aquellas tecnologías que operan a frecuencias más altas. La construcción de hormigón en un área urbana tiene menos efecto sobre la señal de baja frecuencia en comparación con la señal de alta frecuencia.
También se ha explicado en [5] cómo el funcionamiento en bandas sub-GHz añade fiabilidad y robustez a la señal. Esto, combinado con las técnicas de modulación de velocidad de datos mínima.
Internet de las cosas (IoT) puede considerarse un concepto ambicioso con repercusiones tecnológicas y sociales. Desde la perspectiva de la normalización técnica, IoT puede
concebirse como una infraestructura global de la sociedad de la información, que permite ofrecer servicios avanzados mediante la interconexión de objetos (físicos y virtuales) gracias a la interoperabilidad de tecnologías de la información y la comunicación (TIC) presentes y futuras. Aprovechando las capacidades de identificación, adquisición de datos, procesamiento y comunicación, IoT utiliza plenamente las "objetos" para ofrecer servicios a todos los tipos de aplicaciones, garantizando a su vez el cumplimiento de los requisitos de seguridad y privacidad y la computación en la nube, así como tecnologías avanzadas de detección y accionamiento. IoT añade la dimensión "Comunicación con cualquier objeto" a las tecnologías de la información y la comunicación (TIC), que ya ofrecen la comunicación
"en todo INSTANTE" y "en cualquier LUGAR (Figura 2.1).
Figura 1.1: Dimensión de IoT.
1.1.1 Elementos de Internet de las Cosas
Identificación por radio frecuencia (RFID): esta tecnología permite la lectura de información contenida en una etiqueta a distancia de forma inalámbrica, además permite realizar múltiples lecturas de forma simultánea, dentro de sus elementos se encuentran [6]:
Etiquetas: en estas se almacena la información.
Lectores: inducen energía en los tags permitiendo la transmisión de información del tag al lector.
Programadores: dispositivos que permiten configurar la información del tag.
Middleware: se encarga de gestionar el intercambio de información.
Sistema de información: procesa la información del middleware y se encarga de tomar decisiones dependiendo de la información [6].
Redes de sensores inalámbricos: están compuestas de dispositivos electrónicos, de bajo costo y bajo consumo de energía, estas redes se constituyen de un gran número de sensores que permiten la recolección de información, procesamiento, y el análisis de los datos obtenidos. En las redes de sensores, los datos que recolecta un sensor se comparten entre los nodos del sistema para posteriormente enviarlos a un sistema de control distribuido para su análisis [6].
Accesibilidad y conectividad: debe poseer una accesibilidad sencilla y facilidad para conectar los objetos o sensores a la red. Puede hacer uso de las Api (Application Programming Interface) que traduce interfaz de programación de aplicaciones las cuales son utilizadas para facilitar la programación de funciones entre dos plataformas diferentes [7].
Administración dinámica: debe ser capaz de manejar millones de dispositivos simultáneamente, así como una gran cantidad de datos [7].
El IoT debe proporcionar confiabilidad y escalabilidad, la primera recupera información automáticamente ante cualquier fallo y la segunda garantiza soportar grandes volúmenes de almacenamiento y una cantidad considerable de dispositivos conectados.
1.1.2 Seguridad de IoT
El internet de las cosas es vulnerable en cuanto a seguridad debido a que su principal canal de comunicación son redes inalámbricas estas son especialmente sensibles a recibir ataques a la información que se esté enviando, para evitar ataques a la información es necesario que se emplee el encriptado de datos y procesos de autenticación [8].
1.1.3 Aplicaciones de IoT
Algunas aplicaciones en el campo de IoT mostradas en la Figura 1.2 se mencionan a continuación [5]:
Aeroespacial y aviación: seguridad y protección, monitorización de la nave mediante el uso de dispositivos inteligentes, posicionamiento de la nave.
Edificios inteligentes: mediciones de servicios públicos tales como luz, agua y gas, domótica.
Tecnología médica: monitorización de parámetros médicos, administración de fármacos, diagnósticos.
Industrias de procesamiento (petróleo y gas): monitoreo de personal en situaciones de riesgo, seguimiento de contenedores, monitoreo y administración de equipos.
Figura 1.2: Aplicaciones de IoT. [9]
1.2 Redes de Bajo Consumo LPWAN
Las LPWAN representan un paradigma de comunicación novedoso, que complementará las tecnologías celulares tradicionales y las inalámbricas de corto alcance para abordar los diversos requisitos de las aplicaciones IoT. Las tecnologías LPWAN ofrecen conjuntos únicos de características que incluyen conectividad de área amplia para dispositivos de baja
potencia y baja velocidad de datos, no proporcionados por tecnologías inalámbricas heredadas
Destaca en la variedad de aplicaciones en varios sectores comerciales que pueden explotar las tecnologías LPWAN para conectar sus dispositivos finales. Estos sectores comerciales incluyen, entre otros, ciudades inteligentes, aplicaciones personales de IoT, redes inteligentes, medición inteligente, logística, monitoreo industrial, agricultura, etc.
Como resultado, LPWAN está surgiendo rápidamente como un cambio de juego en el desarrollo de IoT, que aborda la mayoría de las limitaciones de la red celular (por ejemplo, alta potencia o brechas en la cobertura). LPWAN es compatible con las aplicaciones IoT y M2M que necesitan transmitir pequeños bloques de datos a largas distancias y, al mismo tiempo, mantener una batería de larga duración.
Sus características inherentes, como el bajo consumo de energía que opera con baterías pequeñas y baratas que duran hasta 10 años, y la idoneidad para un largo rango de operación de más de 2 km de radio en entornos urbanos.
La tecnología LPWAN es perfectamente adecuada para conectar dispositivos que necesitan enviar pequeñas cantidades de datos a lo largo de un rango prolongado, a la vez que mantiene la duración de la batería. Algunas aplicaciones de IoT solo necesitan transmitir pequeñas cantidades de información, por ejemplo, un sensor, que solo transmite cuando un lugar está abierto o cerrado. El bajo consumo de energía de un dispositivo de este tipo permite que esa tarea se lleve a cabo con un costo mínimo.
LPWAN se considera uno de los habilitadores IoT donde se conectarán miles de millones de dispositivos. Las redes LPWAN ofrecen una amplia cobertura de área para numerosas aplicaciones de IoT que requieren baja potencia. Como consecuencia, debido a su operación de bajo costo, en comparación con los sistemas de redes móviles tradicionales, y su mejor eficiencia de energía, puede considerarse como la solución futura en Industrial IoT.
LPWAN se puede realizar mediante la implementación de tecnologías emergentes como SIGFOX, LORA, NB-IoT y CAT-M, todas pueden utilizarse como una solución diferente para la mayoría de proyectos relacionados con IoT [10].
LPWAN están atrayendo mucha atención principalmente debido a su capacidad para ofrecer conectividad asequible a los dispositivos de baja potencia distribuidos en áreas geográficas muy grandes. Al realizar la visión de la Internet de las cosas (IoT), las tecnologías de LPWAN complementan y, a veces, sustituyen a las tecnologías inalámbricas de corto alcance y las tecnologías convencionales para varias aplicaciones emergentes y M2M. Este documento de revisión presenta los objetivos de diseño y las técnicas que diferentes tecnologías de LPWAN aprovechan para ofrecer cobertura de área amplia a dispositivos de baja potencia a costa de bajas tasas de datos. Examinamos varias tecnologías emergentes de LPWAN y las actividades de estandarización llevadas a cabo por diferentes organizaciones de desarrollo de estándares, así como los consorcios industriales construidos en torno a tecnologías individuales de LPWAN (por ejemplo, LORA o SIGFOX). También notamos que las tecnologías LPWAN adoptan enfoques similares, compartiendo así limitaciones y desafíos similares.
Las redes LPWAN son únicas porque hacen concesiones diferentes a las tecnologías tradicionales que prevalecen en el entorno de IoT, como las redes inalámbricas de corto alcance, (por ejemplo, Bluetooth), redes de área local inalámbricas heredadas (WLAN), por ejemplo, Wi-Fi y celulares, etc. Las tecnologías inalámbricas no celulares heredadas no son ideales para conectar dispositivos de baja potencia distribuidos en grandes áreas geográficas. El rango de estas tecnologías se limita a unos pocos cientos de metros en el mejor de los casos. Por lo tanto, los dispositivos no pueden ser desplegados o movidos arbitrariamente a cualquier lugar, un requisito para muchas aplicaciones para ciudades inteligentes, logística y salud personal. El rango de estas tecnologías se amplía utilizando una implementación densa de dispositivos y Puertas de enlace conectadas.
A continuación, se realiza una descripción general de la tecnología LPWAN:
Bandas ISM sin licencia sub-GHz (ej., 868 MHz en Europa y 915 MHz en los EE.
UU) se utilizan para operar LPWAN.
Rango de comunicación alcanza los 15 km en áreas rurales y hasta 5 km en áreas urbanas.
Este gran alcance es posible debido a un nuevo diseño de capa física que permite sensibilidades de receptor significativamente altas (ej., 130 dBm).
Su velocidad de datos es necesariamente baja, de unos cientos a miles de bits/seg para admitir la comunicación de largo alcance.
Bajo precio de hardware.
Sin necesidad de suscripción para servicio. [11]
1.2.1 Fundamentos de la Modulación
El proceso en el que una onda periódica también denominada onda portadora se combina con otra señal que contiene los datos que se enviarán por el canal se denomina modulación de onda. Cada señal tiene tres características que se pueden modular: frecuencia, amplitud y fase. La frecuencia de la onda define con qué frecuencia se repite, la amplitud nos da la fuerza o potencia de la forma de onda y la fase nos da el estado de la forma de onda con respecto al tiempo en un ciclo dado. La forma de onda final formada a partir de la modulación de la portadora y la señal de datos adopta el estado de un símbolo. Esta forma de onda final tiene una magnitud, fase y frecuencia establecidas después de la modulación.
La tasa de bits de una onda se puede definir como el número de bits enviados por el sistema por unidad de tiempo, mientras que la tasa de símbolos viene dada por la tasa de bits de la señal dividida por el número de bits que se envían con cada símbolo [12]. Se ha discutido en [5], que LPWAN obtiene su amplio rango de comunicación mediante una técnica de modulación que se enfoca en formas de onda con mayor energía por bit en comparación con una forma de onda con alta tasa de bits..
Las dos técnicas de modulación adoptadas por la tecnología LPWAN son la modulación de banda estrecha y la técnica del espectro ensanchado.
Modulación de banda estrecha: cuando se utiliza esta técnica las señales se codifican en un ancho de banda muy bajo de 25 KHz o menos lo que hace que exista un alto presupuesto en el enlace. El espectro general puede ser compartido de manera muy eficiente por múltiples enlaces pues cada señal portadora necesita un espacio de banda baja para sí misma. Debido a que los enlaces múltiples están empaquetados de manera apretada en el espectro, existe un efecto mínimo de ruido en cada una de estas bandas estrechas. Como el efecto del ruido es tan bajo es más fácil para los receptores decodificar la señal del receptor y logrando que se reduzca el costo. Las tecnologías LPWAN como NB-IoT utilizan técnicas
de modulación de banda estrecha. Otras tecnologías como SIGFOX [13] utilizan banda ultra estrecha que exprime aún más las señales en anchos de banda de 100 Hz, lo que reduce aún más el efecto del ruido y aumenta el número de dispositivos finales que se pueden manejar a la vez. La restricción de Ultra Narrow Band reduce la velocidad a la que se pueden enviar los datos a través del canal, lo que lo hace adecuado para aplicaciones donde la transmisión de datos eficiente es una prioridad sobre la latencia y en un rango alto.
Modulación de espectro extendido: Con esta técnica la señal de banda estrecha se extiende sobre una frecuencia mucho más amplia, más cercana al nivel de ruido manteniendo el mismo nivel de potencia. Debido a que la onda transmitida está cerca del nivel de ruido se vuelve menos susceptible a la interferencia externa y a la vez se vuelve más difícil de leer para los intrusos. Esta técnica adolece de un uso ineficaz del espacio del espectro ya que la señal de banda estrecha se extiende por una banda más ancha. Este inconveniente se supera con las tecnologías LPWAN que tienen dispositivos finales que utilizan secuencias ortogonales o diferentes canales en el extremo del receptor. Esto ayuda a aumentar la capacidad total de la red, ya que los dispositivos finales que utilizan secuencias ortogonales o diferentes canales pueden decodificar simultáneamente la señal recibida. La técnica de modulación de espectro ensanchado se utiliza en redes que requieren un mayor grado de resistencia a la interferencia. Chirp Spread Spectrum (CSS) y Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) son variaciones de las técnicas de espectro expandido utilizadas por LORA [14].
1.2.2 Estándares LPWAN
La Figura 1.3 muestra una comparación de diferentes tecnologías de comunicación inalámbrica ampliamente utilizadas. Se puede ver claramente que LPWAN puede lograr una comunicación de largo alcance con un ancho de banda muy bajo. Analizamos además los pros y los contras de los estándares LPWAN ampliamente utilizados.
Figura 1.3: Comparación de los estándares de comunicaciones inalámbricas.
1.3 Redes SIGFOX
Es una red global del internet de las cosas que permite enviar datos sin mantener conexiones de red, el costo de los módulos SIGFOX es bajo y tiene un modesto consumo de energía debido a que SIGFOX envía cadenas de datos pequeñas, lo que significa que consume menos energía al transmitirlos [15] .
Utiliza un protocolo UNB, es decir transmite en un canal de espectro estrecho de 1 KHz para lograr enlaces de larga distancia, esta tecnología opera a 200 KHz de la banda publica, los mensajes se envían a una velocidad de 100 o 600 bit por segundo, lo anterior dependiendo de la región en donde se encuentre el sistema, la carga útil de un mensaje enviado por SIGFOX puede contener hasta 12 bytes, una vez enviado el mensaje tarda un promedio de 2 segundo en ser detectado por la estación base de SIGFOX.
La arquitectura de red de SIGFOX es de tipo estrella, significa que el mensaje enviado puede ser recibido por cualquier estación que se encuentre bajo el rango de cobertura[15].
SIGFOX es una tecnología francesa por lo cual inicialmente comenzó a expandirse en Europa y posteriormente ha comenzado a establecerse en países como Estados Unidos,
Mexica, Colombia, Sur África, Australia, entre otros. La Figura 1.4 muestra la cobertura de SIGFOX a nivel mundial, denotando en azul los países en donde se ha implantado a gran escala la tecnología y en morado los países donde se han instalado algunas estaciones base de SIGFOX.
Figura 1.4: Cobertura de SIGFOX a nivel global. [16]
1.3.1 Características de tecnología SIGFOX
Tiene un consumo de energía bajo; lo que genera un largo tiempo de vida de la batería.
Presenta un bajo costo en cuanto a la adquisición de dispositivos y la suscripción a la tecnología.
Envía mensajes de información limitada, ascendentes de 12 bytes y descendentes de 8 bytes.
No hay señalización, petición o configuración por parte de los dispositivos de red.
Permite realizar una comunicación bidireccional enviando una trama de datos hacia la nube de SIGFOX y solicitando un mensaje de enlace descendente de la nube hacia el emisor [16].
La modulación que SIGFOX utiliza es DBPSK para mensajes ascendentes y GFSK para mensajes descendentes.
Modulación DBPSK: Este tipo de modulación (Figura 1.5) es utilizada para transmisores de bajo costo y que no requieren transmitir a grandes velocidades, básicamente consiste en el cambio de fase para transmitir un símbolo, en donde el símbolo 1 implica un cambio de fase y el símbolo 0 implica que la fase no ha cambiado, esta modulación utiliza una velocidad de transmisión de 1Mbps [17]
. Figura 1.5: Modulación DPSK. [18]
Modulación GFSK: Los símbolos se representan mediante la desviación positiva o negativa de la frecuencia de la onda portador del mensaje (Figura 1.6).
Figura 1.6: Modulación GFSK. [19]
Opera a 868MHz en Europa y a 902MHz en EE. UU. SIGFOX ha dicho que se pueden conectar un millón de dispositivos finales a un solo punto de acceso y pueden proporcionar una cobertura de 3-10 km en áreas urbanas a una tasa de bits de 100 bps y de 30-50 km en
áreas rurales. Las bajas tasas de transmisión de bits aumentan la latencia de la comunicación y la hacen susceptible a interferencias con otras tecnologías.
SIGFOX no ha implementado ninguna técnica para evitar la colisión de paquetes y, al ser una transmisión Ultra Narrow Band (UNB), puede sufrir fácilmente la interferencia de una tecnología de banda ancha Sub-GHz como LORA. Las estaciones base son una plataforma de radio avanzada capaz de recibir datos por 8000 canales a la vez. Esta tecnología envía mensajes tres veces a través de diferentes frecuencias de canal asegurándose de que sea recibido por al menos una de las estaciones base, esto brinda una alta confiabilidad en el enlace ascendente. Puede enviar 140 mensajes de enlace ascendente con un máximo de 12 bytes y puede recibir 4 mensajes de enlace descendente de 8 bytes por día. Por las bajas velocidades de datos y la alta latencia, SIGFOX es apropiado para aplicaciones que necesitan bajas velocidades de datos. Debido a la característica de ser una tecnología patentada y cerrada, los investigadores externos no tienen suficiente libertad para llevar a cabo innovaciones en esta área.
1.3.2 Arquitectura de red
SIGFOX proporciona una infraestructura de telecomunicaciones construida e independiente de cualquier red existente. Su topología es en estrella con un funcionamiento simple. Los dispositivos se conectan a las estaciones base que recopilan la información y la hacen llegar a la nube SIGFOX. El sistema en la nube tiene una interfaz web donde es posible darle alta a los dispositivos, que funcionan con un IP único. A su vez permite el acceso de los clientes a los datos enviados por los dispositivos. Se puede desarrollar una APP y conectarla a la API de SIGFOX hará recibir la información de los sensores y dispositivos.
El uso de Ultra Narrow Band reduce las posibilidades de colisiones, esto ofrece una red con buena calidad de servicio garantizada y efectiva para bajo volumen de datos pero que puede soportar muchos dispositivos simultáneos como es el caso de un despliegue de sensores.
Ventajas de la Tecnología SIGFOX
Largo alcance
Bajo costo
Bajo consumo de energía
Facilidad de uso
1.3.3 Módulo de RF SFM10R2
Este módulo permite la comunicación con la nube de SIGFOX, integra la LPWAN con el internet de las cosas ofreciendo una transmisión de datos simple, el modulo posee las siguientes dimensiones 13 mm x 20 mm x 2.3 mm, las cuales lo hacen un modelo compacto permitiendo un diseño de placa muy pequeño, este módulo se controla bajo comandos AT [20]. El módulo puede observarse en la siguiente Figura 1.7:
(a)
(b)
Figura 1.7: (a) Módulo Wisol SFM10R2 y (b) Diagrama en bloques. [20]
Características del módulo:
Controlados por comandos AT.
Sensor de temperatura.
Ultra bajo consumo de energía.
Alto rendimiento de banda estrecha SIGFOX.
Reloj de TCXO (48 MHz) como referencia.
Tabla 1.1: Características del módulo SFM10R2. [20]
1.4 Redes LORA
LORA es una tecnología LPWAN de capa física desarrollada y patentada por Semtech Corporation [21]. LORA utiliza su técnica patentada de modulación de espectro ensanchado y opera en un sub-GHz industrial científico y médico (EU 433MHz y 868MHz, Asia 430MHz y US 915MHz).
LORA utiliza una técnica llamada Chirp Spread Spectrum (CSS) que difunde una señal de banda estrecha en un ancho de banda más amplio, lo que ayuda a lograr la comunicación bidireccional. Dado que la señal se distribuye por el ruido del suelo, es difícil que los intrusos la detecten y no pueden diferenciar entre la señal real y el ruido.
1.4.1 Alianza LORA
La Alianza LORA es un grupo de empresas, desarrolladores y fabricantes de todo el mundo que se unen para desarrollar un estándar para soluciones de bajo consumo, bajo costo, seguras y de largo alcance de dominio cada vez mayor de Internet de las cosas [22]. La Alianza LORA existe desde marzo de 2015. La Figura 1.8 muestra los miembros patrocinadores de la Alianza LORA.
Figura 1.8: Miembros Patrocinadores de LORA.
Además de sus miembros patrocinadores, el grupo también ofrece otros niveles de membrecía como Colaborador, Instituciones, Adoptador y Público. Cada uno de estos miembros tiene diferentes niveles de derechos y privilegios en el grupo. El objetivo de esta organización sin fines de lucro es crear un estándar común que se pueda utilizar para implementar LPWAN en todo el mundo mediante la estandarización del conocimiento e interoperabilidad entre operadores de todo el mundo en un único estándar global.
1.4.2 LORAWAN
LORAWAN es un protocolo de comunicación basado en la técnica de modulación LORA.
La técnica de modulación LORA fue inventada por primera vez por una start-up francesa Cycleo y luego, en 2012,fue adquirida por Semtech [23]. El protocolo de comunicación LORAWAN pertenece a la segunda capa del modelo OSI que es la capa MAC (Media
Access Control Layer). LORAWAN como protocolo tiene varios beneficios sobre otros protocolos de comunicación inalámbrica. Algunas de las ventajas son:
Comunicación bidireccional
Seguridad de extremo a extremo mediante cifrado AES
Registro por aire de nodos finales
Baja potencia
Tasa de datos adaptable
De largo alcance
Bajo costo
Las redes LORAWAN se implementan como una topología en estrella que se componen de dispositivos finales, puertas de enlace, servidores de red y servidor de aplicaciones.
Además de ser simple en comparación con una red de malla, una de las ventajas de implementar la topología de red en estrella es que ayuda con el consumo de energía de los dispositivos finales. En una topología de malla, todos los dispositivos de la red se comunican con todos los demás dispositivos de la red. Aunque esto ayuda a aumentar el rango de comunicación, drena la energía de los dispositivos finales ya que están en constante estado de comunicación. Este problema se resuelve en el caso de LORAWAN implementando una red en estrella superpuesta donde el dispositivo final se comunica con la mejor puerta de enlace, lo que reduce la cantidad de dispositivos que necesita para comunicarse y, a su vez, reduce el consumo de energía. LORAWAN también proporciona seguridad de red de extremo a extremo para los datos transmitidos desde los dispositivos finales hasta que llegan al servidor.
Adaptive Data Rate (ADR) es una de las características más importantes de la red LORAWAN que ayuda a ahorrar energía en los dispositivos finales. Esto se hace regulando tanto la velocidad de datos como la salida de radiofrecuencia de los nodos finales. Este esquema permite que las pasarelas reciban varios paquetes al mismo tiempo desde múltiples nodos finales [24].
1.4.3 Módulo Multitech xDot
El xDot es un módulo RF de bajo consumo certificado por CE/FCC/RCM/GITEKI, que proporciona conectividad de datos M2M de largo alcance y de baja tasa de bits a sensores, equipos industriales y dispositivos remotos.
El xDot es compatible con LORAWAN 1.0.2, proporcionando comunicación de datos bidireccionales hasta 10 millas (15 Km) de línea de visión y 1-3 millas (2 Km) en edificios, utilizando bandas ISM Sub-GHz en Norteamérica, Europa, Australia (AU915), Asia Pacifico (AS923), India (IN865) y Corea (KR920).
Los xDots brindan inteligencia, complejidad reducida y costo total de materiales más bajo hasta el borde mismo de la red, al mismo tiempo que admiten una variedad de interfaces electrónicas para conectar casi cualquier “cosa” durante años con la energía de la batería (Figura 1.9).
Figura 1.9: Módulo Multitech xDot.
1.5 Aplicaciones IoT
El número de aplicaciones y servicios que pueden proporcionar es prácticamente ilimitado y se puede adaptar a muchos campos de la actividad humana, facilitando y mejorando su calidad de vida en múltiples formas. En este epígrafe se da una breve lista de aplicaciones y servicios basados en la IoT. Sin embargo, es sólo una descripción limitada para comprender todas las posibles nuevas aplicaciones y servicios que la IoT podría proporcionar. Se espera alcanzar un valor estimado aproximadamente 19 billones de dólares para el 2020 por las aplicaciones y servicios de la IoT.
1.5.1 Aplicaciones relevantes
Edificios inteligentes conectados: Las mejoras en la eficiencia (gestión de la energía y el ahorro) y de seguridad (sensores y alarmas). Aplicaciones domóticas incluyendo sensores y actuadores inteligentes para controlar electrodomésticos. Los servicios de salud y educación en el hogar. Control remoto de los tratamientos para los pacientes. Servicios de cable / satélite. Sistemas de almacenamiento / generación de energía. Apagado automático de la electrónica cuando no esté en uso. Termostatos inteligentes. Los detectores de humo y alarmas. Aplicaciones de control de acceso. Cerraduras inteligentes. Los sensores incorporados en la construcción de infraestructura para guiar a los primeros auxilios y asistencias. Seguridad para todos los miembros de la familia.
Ciudades inteligentes y transporte: Integración de los servicios de seguridad.
Optimización del transporte público y privado. Sensores de aparcamiento. Gestión inteligente de los servicios de estacionamiento y el tráfico en tiempo real. Gestión inteligente de semáforos en función de las colas de tráfico. Localización de los coches que han sobrepasado el tiempo de estacionamiento. Las redes energéticas inteligentes.
Seguridad (cámaras, sensores inteligentes, información a los ciudadanos). Administración del Agua. Riego de parques y jardines. Contenedores de basura inteligentes. Controles de contaminación y movilidad. Obtener una respuesta inmediata y conocer las opiniones de los ciudadanos. Gobernanza inteligente. Sistemas de Votación. Monitoreo de accidentes, la coordinación acciones de emergencia.
Educación: Vinculación de aulas virtuales y físicas para el aprendizaje, elearning más eficiente y accesible. Servicios de acceso a bibliotecas virtuales y portales educativos.
Intercambio de informes y resultados en tiempo real. El aprendizaje permanente.
Aprendizaje de idiomas extranjeros. Gestión de la asistencia.
Electrónica de consumo: Teléfonos inteligentes. Televisión inteligente. Laptops, computadoras y tabletas. Refrigeradores, lavadoras y secadoras inteligentes. Sistemas de cine en casa inteligentes. Aparatos inteligentes. Sensores para el collar del animal doméstico. Personalización de la experiencia del usuario. El funcionamiento del producto autónomo. Localizadores personales. Gafas inteligentes.
Salud: Monitoreo de las enfermedades crónicas. Mejora de la calidad de la atención y la calidad de vida de los pacientes. Trackers de Actividad. Diagnóstico remoto. Pulseras conectadas. Cinturones interactivos. Deporte y monitoreo de actividades de fitness.
Etiquetas inteligentes para fármacos. Seguimiento del uso de drogas. Los biochips.
Interfaces cerebro-ordenador. Monitoreo de los hábitos alimenticios.
Automoción: Smart Cars. Control de tráfico. Avanzar en la información sobre lo que está roto. Monitoreo inalámbrico de presión de los neumáticos de coche. La gestión inteligente de la energía y el control. Auto diagnóstico. Los acelerómetros. Sensores de posición, de presencia y de proximidad. Análisis de la mejor manera de ir en tiempo real a un sitio.
Localización por GPS. Control de la velocidad del vehículo. Vehículos autónomos que utilizan los servicios de la IoT.
Agricultura y medio ambiente: Medición y control de la contaminación del medio ambiente (CO2, el ruido, los elementos contaminantes presentes en el ambiente).
Pronosticar cambios climáticos basados en el monitoreo de sensores inteligentes. Las etiquetas RFID pasivas asociadas a los productos agrícolas. Sensores en palets de productos. Gestión de residuos. Cálculos de Nutrición.
Los servicios de energía: Datos precisos sobre el consumo de energía. La medición inteligente. Redes inteligentes. Análisis y predicción de comportamientos de consumo de energía y patrones. Pronosticar las tendencias y necesidades futuras de energía. Redes de sensores inalámbricos. La producción de energía y el reciclaje.
Conectividad inteligente: Gestión de datos y prestación de servicios. El uso de medios de comunicación social y las redes sociales. El acceso a los servicios de correo electrónico, voz y video. La comunicación de grupo interactiva. En streaming en tiempo real. Juegos interactivos. Realidad aumentada. Supervisión de la seguridad de la red. Interfaces de usuario disponibles. La computación afectiva. Métodos de autenticación biométrica.
Telemática de consumo. Servicios de comunicación M2M. Análisis de grandes datos.
Realidad virtual. Servicios de computación en nube. Computación ubicua. Visión por computador. Antenas inteligentes.
Fabricación: Gas y sensores de flujo. Sensores inteligentes de humedad, temperatura, movimiento, fuerza, carga, fugas y niveles. Visión de máquinas. Detección acústica y de
vibraciones. Aplicaciones compuestas. Control inteligente de robots. Control y optimización de los procesos de fabricación. Reconocimiento de patrones. Aprendizaje automático. El análisis predictivo. Logística móvil. Gestión de almacenes. Prevenir la sobreproducción. Logística eficiente.
Compras: Compras inteligentes. RFID y otras etiquetas electrónicas y lectores. Los códigos de barras en el comercio minorista. Inventarios. Control de la procedencia geográfica de los alimentos y productos. Control de calidad de los alimentos y de la seguridad.
1.5.2 Sensores
Un sensor es un dispositivo que detecta el cambio en el entorno y responde a alguna salida en el otro sistema. Un sensor convierte un fenómeno físico en un voltaje analógico medible(o ,a veces una señal digital) convertido en una pantalla legible para humanos o transmitida para lectura o procesamiento adicional [25]. Para el caso de la agricultura que es un sector muy importante en el país existe el sensor de humedad para el control de riego.
Sensor de Humedad
Los sensores de humedad miden una señal eléctrica que calcula la cantidad de agua en el suelo, lo cual permite determinar el volumen de agua almacenado en este después de un riego o una lluvia, calcular el consumo de agua por el cultivo en un día o una semana y determinar la eficiencia del riego.
Los sensores de humedad son diferentes a los de potencial métrico, porque estos últimos lo que determinan es el agua en suelo disponible para la planta.
Generalmente los sensores de humedad se componen de una sonda con electrodos en un extremo y un sistema de excitación y captura de información. Los electrodos van insertos en el suelo y su longitud oscila entre 5 y 30 cúmulos sensores de humedad no miden directamente esta variable, sino que se basan en técnicas como la refrectometría de dominio en tiempo (TDR), la capacitancia (FDR) y la conductividad eléctrica aparente (CE), que son mediciones que se deben convertir a valores de humedad volumétrica mediante una calibración. Comúnmente se conocen como sensores de humedad TDR o FDR. [26]
Ventajas
Permite mediciones con poca alteración del suelo
Requiere poco mantenimiento
Las mediciones se pueden realizar de manera continua durante varios ciclos de cultivo
No requiere instalaciones especiales.
Limitaciones
Para una buena precisión se requieren varias mediciones debido a la variabilidad de los suelos
Alto costo de los equipos
1.6 Antenas para aplicaciones LPWAN 1.6.1 Antena Monopolo 2J0B15
Esta antena dependiente del plano de tierra de perfil bajo de montaje en conector 2J0B15- 915 se ha optimizado específicamente para las bandas de frecuencia de ISM de 902 MHz a 928 MHz en el mercado estadounidense. Esta antena fue desarrollada para instalaciones de sistemas como aplicaciones industriales, científicas y médicas. Las aplicaciones de IoT también pueden aprovechar este sistema, ya que proporciona un alto rendimiento, ya que no tiene restricciones en el tipo de aplicación o ciclo de trabajo. Además, la potencia de salida permitida por las regulaciones es considerablemente más alta que en otras partes del espectro ISM, lo que permite implementaciones de IoT que pueden ir desde domótica, seguridad, control industrial, detección remota, lectura automática de medidores, juguetes, estaciones meteorológicas, entre otras aplicaciones de consumo.
La antena 2J0B15-915 de 915 MHz (Figura 1.10) proporciona una conexión estable a través de paredes y la transmisión no se ve perturbada por obstáculos como cuerpos humanos (este es el caso de las tecnologías WIFI y Bluetooth a 2,4 GHz. [27]
Características claves:
ISM optimizado específicamente
Alta eficiencia y rendimiento sostenidos
Alta ganancia
Depende del plano de tierra
Fácil integración
Figura 1.10: Antena Monopolo 2J0B15-915.
1.6.2 Antena 2JF0304P
En la Figura 1.11 se muestra una antena flexible, diseñada para conexión celular en frecuencias de 824 MHz a 960 MHz.[27]
Figura 1.11: Antena 2JF03004P. [27]
1.6.3 Antena SW915-TH12
Es una antena de resorte de cobre (Figura 1.12), está diseñada especialmente para comunicación inalámbrica de 915 MHz. Tiene buen VSWR, dimensiones compactas, fácil instalación, rendimiento estable, con buena capacidad anti vibración y envejecimiento [28].
Figura 1.12: Antena SW915.
1.7 Propuesta de antena para mejorar el desempeño de los módulos LPWAN 1.7.1 Inverted-F Antenna (IFA)
Este tipo de antena lleva este nombre debido a que su estructura es similar a una F invertida (Figura 1.13), de ahí que se le llame IFA (Inverted F Antenna o Antena F Invertida) [29].
Esta antena no deja de ser un simple monopolo de λ/4 sobre un plano metálico o de tierra.
Según los análisis realizados de sus características de radiación también se define como una antena de apertura [30].
Figura 1.11: Antena IFA.
La antena IFA típica consiste en un hilo radiante localizado de forma paralela al plano de tierra, un mecanismo de alimentación de dicho hilo y una línea de transmisión ubicada al final del hilo que conecta el plano de tierra con el elemento radiante [31] Esta antena se logra al doblar un monopolo vertical hasta situarlo de forma paralela al plano de tierra. La sección paralela al plano de tierra introduce un comportamiento capacitivo en la impedancia de entrada. Dicho efecto se compensa mediante el empleo de un “stub” acabado en cortocircuito [32].
La longitud requerida del hilo radiante es de aproximadamente un cuarto de la longitud de onda de operación (λ/4). Si este es mucho mayor que (λ/4) entonces el patrón de radiación se volverá cada vez más multilóbulo. De otra manera si el hilo radiante es significativamente menor que (λ/4) entonces sintonizarlo se volverá cada vez más difícil y el desempeño total se degradará. El ancho de banda de la antena IFA aumenta con el grosor del hilo radiante. La polarización de la antena es bastante elíptica, su proporción axial raramente alcanza los 20 dB. Estas antenas tienen la habilidad de recibir las ondas electromagnéticas polarizadas vertical y horizontalmente. Mientras que la impedancia de entrada de las IFA puede ser arreglada para tener un valor apropiado para adaptar la carga de la impedancia sin tener que usar ningún circuito adicional [32].
1.8 Conclusiones del capítulo
En el desarrollo del capítulo se expusieron las características de las redes LPWAN, donde se exploró su alcance en las diferentes aplicaciones de gran importancia.Se demostró que
SIGFOX pertenece a una empresa patrocinadora sin embargo LORA es patrocinado por una alianza internacional. Que gracias a al ancho de banda estrecho las comunicaciones se pueden realizar a largas distancias con baja potencia. Permiten colocar una red de sensores en el terreno distantes unos con otros dando lugar al desarrollo y rendimientos agrícolas como una de las más importantes aplicaciones que se pueden explotar en el país.
A pesar de exponer algunas antenas que son muy utilizadas y se propuso la antena IFA más compacta para mejorar el rendimiento de los módulos LPWAN.
CAPÍTULO 2. PROPUESTAS DE DISEÑO CON ANTENAS PARA MODULO DE RF LPWAN
En el presente capítulo se realizará el diseño teórico de las antenas y su simulación en el software CST-Studio Suite 2018 para el análisis de su comportamiento en la banda de 902MHz a 928MHz donde operan las redes IoT. Para el diseño de los circuitos impreso o PCB se utilizó el software EAGLE.
2.1 Herramientas utilitarias para el diseño
Para el modelado y simulación de la antena se utilizó el software CST Studio Suite 2018, para el diseño de circuito PCB se utilizó el software EAGLE y la plataforma web JLCPCB para la construcción del circuito impreso.
2.1.1 CST-Studio Suite
El software CST Microwave Studio Suite 2018[33] es un paquete utilitario propietario de la empresa (Computer Simulation Technology) especializado en el diseño y simulación de medios electromagnéticos. Sus principales aplicaciones abarcan desde análisis de partículas cargadas, frecuencias estáticas y dinámicas hasta módulos para los dispositivos de RF y comunicaciones de micro ondas empleadas en entornos móviles e inalámbricos. Su interfaz gráfica provee de una variedad de objetos geométricos que apoyados en operaciones matemáticas permiten la construcción de elementos cuyo límite es la propia imaginación del usuario.
Posee campo de visualización en dos y tres dimensiones con diferentes modos de vista ya sean rotativos o en el mismo plano basado en el método de Diferencias Finitas en el Dominio del Tiempo lo cual se agradece a la hora del diseño. Un cumulo de ajustes y configuraciones para las simulaciones y presentaciones de resultados a través de diferentes monitores y gráficas con comportamientos muy realistas y profesionales se incluyen en este programa.
Un menú contextual permite la elección de las unidades de medidas con las que se desea trabajar a la hora de diseñar un dispositivo. Desde el empleo del (mm o m) para las dimensiones, los MHZ o los GHz para el uso de frecuencias, así como él (V, los A y los Ohms) en el caso de los voltajes, corrientes y resistencia son modificados para adecuarlos a las necesidades del diseñador. No solo se cuenta con los materiales ofrecidos por el software para la construcción de los dispositivos, sino que permite la introducción de materiales específicos cargados previamente.
Para el caso particular que nos ocupa el propio programa sugiere tres solucionadores de cálculo diferentes: Time Domain, Frecuency Domain e Integral Equation.
Se utilizará el solucionador en el dominio del tiempo pues el mismo es el más flexible del programa y permite la simulación de casi todo tipo de antenas. Como su nombre lo indica se basa en el estudio del campo magnético en cuestión en el dominio del tiempo y su representación en tres dimensiones.
Luego de poseer el prototipo de antena se puede elegir que elemento alimentador se utilizará para el dispositivo. Se elige entre cuatro tipos de alimentadores entre los que se incluye puertos de guías de onda y discretos. Este último satisface las exigencias del trabajo y proporciona datos precisos para el estudio de su aplicabilidad.
Luego de la simulación se podrá contar con los diferentes parámetros como son el patrón de radiación, la impedancia de entrada compleja, la razón de onda estacionaria (ROE), la ganancia directiva, la ganancia de potencia, el coeficiente de radiación trasera, el ángulo de elevación y la polarización, entre otros, variando las características físico-constructivas de la antena, y se obtendrá un método de diseño para las antenas utilizadas, según los resultados obtenidos.
Este es un software de una complejidad media que puede ser solventada con la ayuda que el mismo dispone y un poco de información adicional como el uso de tutoriales y ejemplos disponibles en Internet. No obstante, es una herramienta muy útil y de gran poder a la hora de definir proyectos en el campo de las radiocomunicaciones.
2.1.2 EAGLE: Herramienta para el diseño de PCB
EAGLE (Easily Applicable Graphical Layout Editor) es un software de automatización de diseño electrónico (EDA) que permite a los diseñadores de placas de circuito impreso (PCB) conectar sin problemas diagramas esquemáticos, ubicación de componentes, enrutamiento de PCB y contenido completo de la biblioteca.
EAGLE contiene un editor de esquemas para diseñar diagramas de circuitos. Los esquemas se almacenan en archivos con extensión. SCH, las partes se definen en bibliotecas de dispositivos con extensión LBR. Las piezas se pueden colocar en muchas hojas y conectar juntas a través de puertos. El editor de diseño de PCB almacena archivos de placa con extensión BRD que permite la anotación hacia atrás al esquema y el enrutamiento automático para conectar trazas automáticamente en función de las conexiones definidas en el esquema.
EAGLE guarda archivos de tipo Gerber y PostScript, así como archivos de perforación Excellon y Sieb & Meyer. Estos son formatos de archivo estándar aceptados por las empresas de fabricación de PCB, pero dada la base de usuarios típica de EAGLE de pequeñas empresas de diseño y aficionados, muchos fabricantes de PCB y talleres de montaje también aceptan archivos de placa EAGLE (con extensión BRD) directamente para exportar archivos de producción optimizados y pick-ups y colocar los datos en sí mismos.
EAGLE proporciona una interfaz gráfica de usuarios de múltiple ventana y un sistema de menú para editar, administrar proyectos y personalizar la interfaz y los parámetros de diseño. El sistema se puede controlar mediante el mouse, las teclas de acceso rápido del teclado o ingresando comandos específicos en una línea de comandos incorporada [34].
2.1.3 JLCPCB: Plataforma web para la fabricación de prototipos de PCB
JLCPCB (JiaLiChuang Co., Limited) es la empresa de prototipos de PCB más grande de Asia y un fabricante de alta tecnología en todo el mundo, que se especializa en prototipos
de PCB rápidos y producción de PCB de lotes pequeños y medianos. Fundada en 2006, JLCPCB ha estado a la vanguardia de la industria de PCB. Con más de 14 años de innovación y mejora basadas en las necesidades de los clientes. La capacidad de producción anual de JLCPCB es de 200000 metros cuadrados. JLCPCB tiene más de 800000 clientes en todo el mundo, 6 fábricas con una capacidad de producción de 600000 m2 cada mes.
JLCPCB es un fabricante profesional de PCB que cuenta con equipos de pozo a gran escala, una gestión estricta y una calidad superior [35].
2.2 Criterios de diseño de la placa de desarrollo de pruebas para antena monopolo de 915 MHz y la PCB para el módulo de RF
En este epígrafe se expondrán algunos requerimientos técnicos a consideración en el diseño del PCB para la evaluación una antena 2J0B15-915 y las dimensiones que deben establecerse para la fijación del PCB del módulo de RF en la carcasa plástica impermeable industrial.
2.2.1 Placa de desarrollo 2JDB0203-C831G
Inicie a escribir aquí. Esta placa de desarrollo es adecuada para encontrar los mejores componentes que combinen para antenas CELL y prueba de la antena CELL ya que las dimensiones del plano de tierra son estándar y similar al de los dispositivos módulos de RF que mayormente se fabrican.
Es una placa de desarrollo generalizada para mediciones de antenas monopolos, fundamentalmente que simula la placa del circuito impreso del dispositivo a la cual la antena va montada [27].
Características generales:
Conector de acoplamiento de antena: Edge SMA-Hembra
Conector de placa: SMA-Hembra
Plano de Tierra: 95x40 mm
Dimensión(mm):104,89 x 40,4 x 13,85
Figura 2.1: Placa de desarrollo 2JDB0203-C831G. Fuente:[27]
Pero en este caso es conveniente que el diseño de la placa de desarrollo de pruebas con el monopolo 2J0B sea similar en cuanto a dimensiones con el módulo de RF propuesto. Para ello, las dimensiones del módulo se deben adecuar para ser insertado dentro de la carcasa plástica de protección contra a la intemperie.
2.2.2 Carcasa impermeable WP10-4C
El WP10-4C es un gabinete resistente a prueba de agua de color gris oscuro hecho de plástico ABS ideal para el seguimiento/monitoreo en ambientes hostiles. Es perfecto para aplicaciones al aire libre y para un alto índice de inflamabilidad. Es utilizado generalmente en aplicaciones industriales
Figura 2.2: Encapsulado WP10-4C.
2.3 Diseño de la placa de desarrollo de prueba 90x60 mm para el monopolo 2J0B- 915
La placa de desarrollo propuesta para mediciones está conformada por un PCB de 90X60 mm doble capas de láminas de cobre de 35 micrómetros y un sustrato de FR4 de 1,5 mm de espesor. Posee do conectores SMA hembra para PCB en cada extremo de la línea de transmisión.
Figura 2.3: Modelo de la placa propuesto para la evaluación de la antena monopolo 2J0B15-915.
2.3.1 Simulación de PCB de desarrollo con línea de microcinta
La placa de desarrollo para las mediciones de la antena 2J0B15-915 se realizó a través de una placa de PCB 90x60 mm con una línea de microcinta de 50 Ω. La línea fue calculada con la herramienta Impedance Calculation que del software CST Microwave Studio donde se muestran sus características en la Figura 2.3.
Figura 2.4: Herramienta Impedance Calculation con línea de Microstrip de 50Ω aproximadamente.
Una vez obtenido el cálculo de la microcinta se diseñó una placa en CST Microwave Studio. Similar en dimensiones al propuesto como desarrollo del módulo de RF SIGFOX como objeto de pruebas. En la Figura 2.5 se muestra la placa diseñada con sus conectores.
Figura 2.5: Modelado de la línea de microcinta en el software CST Microwave Studio.
La placa de desarrollo es simplemente un tramo de línea de transmisión de bajas perdidas que atraviesa un tramo con sustrato aislante FR4 con plano de tierra metálico. Las pérdidas por retorno en cada puerto deben ser las más bajas posibles ero aun así algún deterioro puede ser corregido en la calibración del instrumento Analizador Vectorial de Redes en las mediciones.
A continuación, se muestra una gráfica de la Figura 2.6 las pérdidas por retorno en función de la frecuencia.
Figura 2.6: Pérdidas por retorno en función de la frecuencia.
El parámetro S11 (dB) y S22 (dB) miden la cantidad de potencia que es reflejada en comparación con la cantidad de potencia que se está aplicando en el puerto de entrada y en el puerto de salida y representan las pérdidas por retorno tanto en el puerto de entrada, como el de salida. En este caso los valores en la banda de trabajo están por debajo de -24 dB y representan un buen desempeño. Lo ideal es que se mantuviera por debajo de -30 dB pero debido a la transición de cable coaxial a línea de microcinta o viceversa no se pudo lograr.
También el parámetro S21 (dB) y S12 (dB) son importantes. Estos representan las pérdidas del tramo de línea de transmisión y que en este caso son muy bajas con -0,34 dB.
2.4 Diseño del módulo de RF SIGFOX con la antena monopolo 2J0B-915
Utilizando el software EAGLE 9.6.1 se llevó a cabo el diseño del PCB del módulo de RF SIGFOX con un módulo de RF del tipo SFM10R2 con la posibilidad de conectar un sensor a través del puerto UART de entrada y una antena a la salida de RF.
2.4.1 Diseño del circuito
El circuito de RF se muestra en la Figura 2.7 está diseñado en la ventana esquemática (Schematic) del EAGLE. Para poder diseñar un PCB primeramente se debe diseñar el circuito de referencia con todos los componentes con sus características reales que se encuentran en el mercado, fundamentalmente se debe conocer con exactitud la huella que deja sobre el PCB o footprint. Una vez terminado el circuito se debe corregir los posibles errores con la herramienta ERC para no propagarlos posteriormente al PCB. Esta herramienta junto con DRC son las más importante del EAGLE porque, además de anunciar los errores, también se apoyan sobre las reglas de diseño por defecto o recomendadas por algún fabricante de PCB en específico.
Figura 2.7: Circuito de RF con el módulo SFM10R2.
El módulo está alimentado con dos baterías de 1,5V (3V) a través de un regulador conmutado TPS 61097A de 3,3V. Posee un LED indicador de funcionamiento del CPU interno y la salida de radiofrecuencia. En la salida se encuentra un circuito de RF formado por un capacitor de 100pF, un inductor de 47 nH y un resistor de 0 Ω recomendados por el fabricante del módulo SFM10R2. La salida de RF es de 50 Ω. La antena conectada debe ser de impedancia de entrada de 50 Ω.
