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23 ago 20 Pruebas de comunicación LoRaWAN: conseguido enlace de 7,2 km

Estos días he estado de vacaciones en Galicia, donde he podido seguir con las pruebas de alcance con tecnología LoRa. Estas pruebas consistieron en la repetición de la efectuada en Santiponce el pasado mes de mayo, pero sustituyendo la orografía prácticamente plana de Sevilla por una zona montañosa de las cercanías de Pontevedra.

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Vehículo y entorno de pruebas. Nótese la antena LoRa en la parte frontal del techo del vehículo

En realidad, se realizaron dos pruebas distintas: una de corto alcance, y una de largo alcance. En ambos casos se utilizaron los siguientes elementos y escenario:

  • Escenario de pruebas: La prueba consistió en la transmisión de datos de un pulsómetro Bluetooth LE a un servidor MQTT, donde se volcarían las pulsaciones registradas, junto con el RSSI de la transmisión, para su posterior consumo por terceros sistemas. Para ello, se hacía uso de un emisor Heltec Lora 32, con capacidad BLE y LoRa, que sería el encargado de recibir la información del pulsómetro, cifrarla y transmitirla vía LoRa al gateway LoRaWAN. Éste último recibiría la señal del emisor, la decodificaría, calcularía el RSSI e inyectaría la información resultante en formato JSON en un servidor MQTT. Por último, se preparó un servidor Grafana para representar gráficamente la información de las pulsaciones recibidas.
  • Dispositivo emisor: Como se ha comentado, consiste en un conjunto de sensor de pulsaciones BLE, que envía la información al dispositivo Heltec Lora 32 a 433 MHz. Para mejorar el alcance del dispositivo, se le ha dotado de una antena de 7 dBi, ubicada en el techo de un coche para poder realizar pruebas en movilidad. La información se envía codificada en hexadecimal para necesitar menos bytes a la hora de poner los datos en el aire.
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  • Dispositivo receptor: El dispositivo receptor consiste en un segundo Heltec Lora 32, que recibe la información enviada por el emisor, decodifica la información, calcula el RSSI -que nos da información sobre la calidad del enlace realizado- compone un JSON con ambos parámetros, e inyectar el mismo en un servidor MQTT. Como en el caso del emisor, se ha reemplazado la antena de fábrica por una antena de 7 dBi, emplazada para las pruebas en una ubicación en altura.
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  • Cliente MQTT: Para obtener una primera verificación de los datos obtenidos, se utiliza un cliente MQTT en un teléfono Android, suscrito al topic en el que se vuelcan los datos por parte del gateway. Un ejemplo de la visualización de los datos se puede observar en la siguiente imagen:
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  • Visualización de datos en Grafana: Además de la primera visualización de datos en el cliente MQTT, se preparó un servidor Grafana para visualizar los datos volcados en el MQTT, y representar una gráfica con los datos de las pulsaciones. Esta representación, además de proporcionar de una manera gráfica en un solo vistazo el histórico de datos recibidos, permitió también dilucidar -a posteriori- si algunos problemas de falta de recepción de datos en el cliente MQTT se debían a carencia de enlace LoRa o a falta de conexión de datos desde el cliente MQTT. Para nuestra sorpresa, estos problemas se debieron a lo segundo, y no a lo primero. Una muestra de la visualización de datos obtenida:
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Éste sería un esquema de los dispositivos implicados y las comunicaciones entre ellos:

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Una vez definido el escenario y elementos de prueba, pasé a definir las pruebas propiamente dichas. Estimé conveniente realizar una primera prueba de corto alcance en las cercanías, y en caso de obtener éxito en la misma, pasar a una segunda de largo alcance.

Prueba de corto alcance. 3,08 km

La prueba de corto alcance consistió en un enlace de una distancia estimada de unos 3 kms, desde una casa situada en la aldea de Vilarchán -Puente Caldelas- hasta el monte de La Fracha, donde se encuentran una serie de antenas y repetidores de radio y televisión. La idea era observar cómo de fiable era la transmisión en este entorno de montaña, con visibilidad directa desde el emisor al receptor, pero con obstáculos consistentes en otras viviendas, zonas arboladas y, en determinados tramos, la propia mole rocosa de la montaña.

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Lúa saíndo polo monte da Fracha (Pontevedra), cortesía de Pintafontes

EL objetivo de esta prueba era calibrar el impacto esperable de la diferencia de orografía entre Santiponce y Vilarchán, para determinar el impacto de la misma en la transmisión. Hay que tener en cuenta que en el caso de Santiponce se había observado que se podía obtener, con el mismo equipo de pruebas, un enlace confiable de 4,5 km, y hasta 5,3 km de manera esporádica.

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Recorrido en Google Earth de la prueba efectuada

Salimos de Vilarchán con el emisor funcionando, y pronto se perdió la señal, apenas al llegar a la carretera de Pontevedra a Puente Caldelas. Durante todo el trayecto, pasando por el polígono de La Reigosa y la subida a la Fracha, hasta las cercanías del polvorín, no se recibió señal alguna. Una primera decepción. Bajamos del coche y empezamos a andar, camino de las antenas, por la parte de la montaña contraria a la casa. Y ahí, sorpresa, empezamos a recibir datos, si bien con un RSSI muy débil, de -131. Una primera medición de distancia nos dio 3,01 km de distancia en línea recta al emisor, pero con toda la ladera del monte obstaculizando la señal. Proseguimos el ascenso hasta las antenas, sin perder recepción de datos en ningún momento, y con la calidad de la señal mejorando a medida que salíamos de la sombra de la montaña, y ganábamos en línea de visión directa hacia el emisor.

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Vista desde las antenas de la zona de pruebas, con la zona aproximada del receptor marcada

Realizamos el ascenso a las antenas por la ladera que daba hacia la zona de la casa. Al llegar a las mismas, siempre sin perder la señal, obtuvimos un enlace de 3,08 km, con un mejor RSSI de -111. Como valor comparativo, en la misma casa y a unos 5 metros de distancia, el RSSI rondaba los -85. En cuanto a la visibilidad, se puede considerar casi directa, y el casi es porque hay algunas edificaciones que se interponen entre el punto donde estaba ubicado el receptor, y el punto donde nos encontrábamos.

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Captura de pantalla de la distancia observada con Oruxmaps entre nuestra posición a la ubicación del receptor

Tras verificar durante un rato de la estabilidad de la conexión, y disfrutar un poco de las vistas, emprendimos el descenso hasta el vehículo, si bien esta vez por la ladera opuesta, que dispone de un camino que facilitaba la bajada, y que además nos permitía determinar en qué punto la mole del monte obstaculizaba la señal hasta que ésta se perdiera.

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Vistas de la Ría de Pontevedra desde La Fracha

Durante un buen rato de descenso se mantuvo la recepción de la señal, si bien con deterioros del RSSI paulatinos. Perdimos la señal a una distancia de 2,81 km del receptor, si bien con toda la ladera interpuesta entre nosotros y el gateway receptor. Sin embargo, al llegar al coche, volvimos a recuperar la señal, que ya no volvimos a perder en todo el trayecto de vuelta hasta la casa, en gran contraste con la observación realizada a la ida, donde pronto se perdió la señal. Posteriormente, y tras analizar los datos reflejados en Grafana, pudimos ver que en realidad el en trayecto de ida nunca se llegó a perder la señal LoRa entre emisor y receptor, sino que habíamos tenido un problema de falta de datos en el teléfono con el cliente MQTT, que había provocado una desconexión con el servidor MQTT -y una aparente pérdida de datos-. Es decir: que salvo en un punto muy localizado de La Fracha, habíamos tenido enlace LoRa casi de manera constante y sin pérdida de datos, pese a las dificultades del terreno, zonas boscosas y construcciones interpuestas. Una primera prueba sumamente satisfactoria.

Prueba de largo alcance. 7,2 km

La segunda prueba era la verdaderamente significativa: intentar un enlace directo con un grupo de antenas de radio, ubicadas a una distancia aproximada de 7 kilómetros, con línea directa de visión, en torno a un 60% más de distancia que las pruebas efectuadas en Santiponce.

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Vista desde la antena del receptor, con la zona prevista del emisor marcada

Si bien la distancia en línea recta entre ambas ubicaciones ronda los 7 km, es preciso realizar unos 13 km de recorrido para poder llegar de la una a la otra, debido a orografía del terreno y las vías de comunicación existentes, como se puede apreciar en el recorrido de etapa trazado en Google Earth:

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Para esta segunda prueba movimos la ubicación del receptor a una ventana con visibilidad directa de la zona de pruebas, con el objetivo en mente de dirigirnos a una zona de repetidores ubicada en el Monte Catadoiro, cerca de Rebordela. La diferencia es que esta vez podríamos ir directamente con el coche hasta la zona escogida. Dicho y hecho, salimos en dirección Puente Caldelas. Y al igual que en la primera prueba, perdimos la recepción de datos justo al llegar a la carretera. Y al igual que en el caso anterior, estuvo motivada por la pérdida de datos del teléfono Android. Al llegar a las antenas, pudimos ver que el cliente MQTT se había desconectado. Y al volver a conectar… ¡éxito! Los paquetes llegaban sin pérdida, y con un RSSI espectacularmente bueno, de -115 en el mejor de los casos. Tras las pertinentes comprobaciones, verificamos que habíamos logrado un enlace de 7,23 km con línea directa de visión.

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Primeros paquetes recibidos en el cliente MQTT una vez restablecida la conexión

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Captura de Oruxmaps en la que se aprecia la distancia alcanzada

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En las antenas

Estuvimos un rato en las antenas, observando el comportamiento de los datos: sin pérdidas, y con un RSSI que hace pensar que es posible mantener distancias aún mayores de manera confiable. Si no pudimos ir más lejos fue porque la montaña ya no daba para más. :D Disfrutamos un rato de las vistas, y poco después emprendimos el regreso.

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Vista de la zona aproximada del gateway, a través de unos prismáticos

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Vista de la ría de Vigo, con el puente de Rande y las Islas Cíes al fondo

Y de nuevo la sorpresa vino en el trayecto de vuelta. Durante todo el recorrido, de casi 14 kilómetros, por zonas boscosas, sin visibilidad directa, con laderas, bosques y pueblos entre medias, no se perdió la señal en ningún momento, como pudimos verificar consultando Grafana. Esto incluye el paso por Puente Caldelas, en la más profundo del valle del Río Verdugo, y en un entorno completamente urbano y sin visibilidad directa, a más de 5,5 km de distancia desde el gateway; y también en la central hidroeléctrica de Hidrofreixa, a 5’3 km, aunque en este caso con visibilidad directa.

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Estación de bombeo de Hidrofreixa

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Enlace desde Hidrofreixa, de 5,48 km

En lo referente a los datos de Grafana, en esta captura se ven las gráficas de pulsaciones:

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Por cierto, que en realidad mis pulsaciones no son tan altas, sino que he observado que mientras no empiezo a sudar en serio el pulsómetro muestra exceso de pulsaciones al alza. :mrgreen: En cuanto a los huecos, el correspondiente a las 16:48 a las 16:57 es una de las zonas de sombra de La Fracha, lo mismo que el de pasadas las 17:30. El de las 17:46 a las 18:03 corresponde al tiempo entre prueba y prueba (con cambios de ubicación de antenas y resto de elementos), y los dos huecos posteriores a momentos en que el pulsómetro Bluetooth salió del rango de alcance del emisor LoRa.

Y para cerrar, tenemos ya planificadas nuevas pruebas de alcance: en este caso, a dos campos de aerogeneradores, ubicados a 15 y 25 km de distancia desde Vilarchán. Pero de eso ya hablaremos en otro momento…

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14 may 20 Más allá de LoRa: LoRaWan

Llevo ya un par de artículos sobre las pruebas que he estado efectuando con enlaces soportados con tecnología LoRa, y no podía postergar más el hablar sobre una tecnología que va un paso más alla: LoRaWan. LoRaWan, en líneas generales, es un protocolo de comunicaciones que, haciendo uso de tecnología LoRa, permite proporcionar conectividad a múltiples dispositivos que se basan en LoRa. La idea básica es que LoRa proporciona los enlaces punto a punto, mientras que LoRaWan proporciona una red de comunicaciones. Para ello se apoya en la definición de dos tipos de dispositivos, los nodos y los gateways. Los primeros son los dispositivos individuales -por lo general IoT- que actúan como clientes, enviado y recibiendo información de la red. Los segundos, por su lado, conforman la infraestructura que enlaza los clientes individuales con el resto del sistema, actuando como pasarela con redes convencionales como puede ser Internet.

Estructura de una red LoRaWan

Estructura de una red LoRaWan

En toda esta introducción la palabra importante es red. Mientras que en mis pruebas anteriores hacía uso de un par de dispositivos enlazados, aquí se trata de dar un paso más allá. ¿Y cómo haces uso de una red? Bueno, hay dos maneras: o la construyes, o usas una ya existente. La primera opción es viable en el caso de querer construir una red privada, para algún cliente o un proyecto concreto, pero en la mayoría de los casos no es un escenario realista. Pero en cuanto a la segunda, es esta la parte realmente interesante de los sistemas LoRaWan. Existen redes, tanto públicas como privadas, a las que es posible conectarse y hacer uso de las mismas. Y una de las redes abiertas más conocidas a nivel mundial es The Things Network, también conocida como TTN.

Cuando, de nuevo hace ya un par de años largos, adquirí mis dispositivos LoRa, cometí un error de novato. Pedí un dispositivo de 868 MHz y otro de 433. Algo que hacía perfectamente inútiles los intentos de comunicación entre ellos. Esa fue la razón para adquirir un segundo dispositivo de 433 MHz para mis pruebas de enlace punto a punto. ¿Pero qué hacer con el kit de 868 MHz? Podía comprar un segundo y hacer lo mismo, pero fue entonces cuando tuve noticias de TTN. Una red LoRaWan que permite el acceso gratuito a la misma para la transmisión y recepción de mensajes (aunque con límites de capacidad -fair use-), pero que para una transmisión de pruebas de un sistema IoT era más que sobrado. La pregunta es: ¿existía un despliegue de esa red en Sevilla? Y la respuesta es que sí.

TTN - Cobertura en Sevilla

TTN – Cobertura en Sevilla

Como se puede ver en el mapa de gateways, hay un buen nivel de cobertura de la red TTN en Sevilla capital y el Aljarafe… salvo en Santiponce. En efecto, hice algunas pruebas en casa, con resultados completamente infructuosos. Pero en la Isla de La Cartuja, donde está mi oficina, había cobertura teórica, y dos gateways en las inmediaciones, a unos 1500 y 1700 metros de distancia. Cerca del límite teórico del alcance de los Heltec, y más dentro de un edificio. Pero era cuestión de hacer la prueba. Así que aprovechando un día, al comienzo del confinamiento, en que tuve que desplazarme a la oficina por razones de continuidad de negocio, aproveché para hacer algunas pruebas de conexión.

Dispositivo LoRa Heltec ESP32 a 868 MHz

Dispositivo LoRa Heltec ESP32 a 868 MHz

Para ello hice uso de una librería específica que Heltec ha desarrollado para las conexiones LoraWan, además de registrar -paso obligado- mi dispositivo para obtener una licencia de uso de Heltec. Además de esto, es necesario registrarse en TTN y configurar una aplicación para poder hacer uso de la red, además de registrar tu dispositivo a fin de obtener una serie de identificadores únicos para los dispositivos que se habrán de conectar a la red. Se pueden seguir los pasos en el siguiente artículo: Heltec ESP32 Board + The Things Network. Y tras algunas pruebas, ajustes y apretar -metafórico- de tuercas…

Datos enviados a TTN

Datos enviados a TTN

…conseguí establecer de manera exitosa sendos enlaces con dos de los gateways cercanos a la Isla de La Cartuja. En concreto, a los ubicados en la Alameda de Hércules y la Plaza de la Encarnación, con una distancia máxima de algo más de 1700 metros desde mi ubicación, como se puede apreciar en la siguiente imagen:

Alcance de enlaces LoRaWan realizados

Alcance de enlaces LoRaWan realizados

La prueba no dio para mucho más, ya que tenía otros menesteres de los que ocuparme en la oficina, pero sirvió para demostrar que era posible trabajar con TTN y dispositivos Heltec, incluso haciendo uso de la antena de fábrica en condiciones adversas. En fechas posteriores, visto el éxito de la prueba en la oficina, realicé algunas nuevas pruebas de larga distancia desde Santiponce, tanto con antenas de fabricación propia (hasta la base está sacada con la impresora 3D)…

Antena de fabricación propia de 868 MHz

Antena de fabricación propia de 868 MHz

…como con antenas fabricadas por terceros:

Antena de 868 MHz

Antena de 868 MHz

En ninguno de los casos logré un enlace con ninguna de las redes de TTN en Sevilla o el Aljarafe. No es sorprendente, ya que la más cercana se encuentra a 7 km. de distancia de mi domicilio, y obstaculizadas por la orografía del terreno, y edificios que se interponen en la línea de visión directa. Además, en todos los casos he usado antenas omnidireccionales. Queda por realizar una prueba con antenas direccionales (estoy pensando en una tipo yagi), pero antes de eso, aún tengo que hacer pruebas con línea directa de visión y las antenas de las que actualmente dispongo. El lugar perfecto es el cerro de Santa Brígida, en Camas. Estoy deseando que podamos realizar más deplazamientos para acercarme con la bici y hacer estas pruebas. :mrgreen:

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05 may 20 Nuevas pruebas de enlaces LoRa

Después de las pruebas de comunicación LoRa realizadas el pasado día 2, el 3 volví a salir en los ratos en los que hay autorización para salir de casa por el coronavirus, con el objeto de realizar una prueba que complementara a las realizadas el día anterior. Según había comentado, la primeras pruebas las realicé hacia el norte y el sureste de mi domicilio en Santiponce, ya que esas ubicaciones se encuentran relativamente libres de obstáculos propios de la orografía del terreno, pero que albergaba mis dudas sobre el alcance de los enlaces hacia el oeste, debido a que las colinas donde se ubican Itálica y la propia Santiponce se interponen en cualquier línea de visión directa. Es más, las edificaciones del propio casco urbano bloquean en gran manera las señales entre emisor y receptor. Teniendo en cuenta estos condicionantes, no quería que la primera de las pruebas se desvirtuara con este entorno tan desfavorable, por lo que opté por hacer las pruebas de alcance en otras ubicaciones.

Sin embargo, también resultaba interesante en sí probar el alcance de la señal en entornos más adversos, y en el caso particular de Santiponce, me interesaba hacer la prueba porque hacia el oeste desde mi domicilio transcurre la Vía Verde de Itálica. Esta vía verde, antiguo ferrocarril minero entre el cargadero de mineral existente en Camas y la mina de Aznalcóllar, permite circular entre campos de labranza por la campiña sevillana, por lo que es bastante interesante para hacer pruebas de dispositivos IoT en zonas rurales y agrícolas. Ante todo esto, el domingo me dispuse a hacer una nueva prueba. Además, para llegar a la vía verde, es preciso atravesar parte del casco urbano del pueblo, lo que me daba oportunidad de probar el alcance de la señal en una zona con la visión directa completamente bloqueada por edificios.

Realicé la prueba a las 8:00h del domingo, y de nuevo, los resultados fueron mucho mejores de lo esperado. En la zona urbana no llegó a perderse la señal en ningún momento, pese a la falta de visión directa, discurrir entre edificios, y con la propia ladera de Santiponce bloqueando la señal. Una vez en campo abierto, donde existe vegetación densa en la cerca de Itálica que bloquea la visión, y donde el propio cerro de Itálica se interpone entre mi receptor y la vía verde, la señal se recibió en todo momento, salvo en dos pérdidas puntuales en la zona más alejada del recorrido, a 1300 metros del receptor. Incluso en el camino de vuelta, de nuevo con la arboleda de Itálica y un cerro bloqueando completamente la visión, la señal no se interrumpió en ningún momento. A continuación dejo una vista con Google Earth de la prueba efectuada y el recorrido realizado.

Vista en Google Earth de la prueba del 3 de mayo

Vista en Google Earth de la prueba del 3 de mayo

Como comentario adicional, me llamó la atención la gran cantidad de gente que se encontraba en esos momentos en la vía verde, aprovechando el tiempo permitido de salida por el coronavirus. Algo que he podido constatar los dos días posteriores, cuando he salido a hacer algo de bici.

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02 may 20 Comunicación de larga distancia de dispositivos IoT: Heltec LoRa 32

En estas semanas en las que el coronavirus nos ha trastornado la vida a todos, he aprovechado para retomar algunos viejos proyectos que por diversas razones había dejado aparcados hasta mejor ocasión. Uno de estos proyectos (ya habrá tiempo para hablar de otros) era el de lograr un sistema que permitiera recibir información de sensores distribuidos en zonas abiertas. En pocas palabras, sensorización IoT en el ámbito rural. No es exactamente una idea nueva, y era algo que me rondaba la cabeza cuando volví de Irlanda. Ya en su momento me hice con un par de dispositivos Heltec LoRa 32, que disponen de pantalla OLED incorporada, para hacer mis pinitos con ellos. Unos cacharros bastante interesantes, ESP32, con conectividad WiFi y Bluetooth Low Energy además de LoRa. Y aquí la parte importante es LoRa. LoRa (Long Range) es un protocolo de comunicación de larga distancia (WAN) y bajo consumo energético, que haciendo uso de frecuencias libres, permite crear enlaces de datos entre distintos dispositivos, o bien establecer redes de datos completas (cuando ya hablamos de LoRaWAN). Las principales características del protocolo LoRa son las siguientes:

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

Como decía, adquirí los dispositivos, pero luego nunca tuve tiempo para ponerme a dedicarme a ello. Hasta estas semanas, que han coincidido varias circunstancias que me hicieron volver a dedicarle tiempo al proyecto: el confinamiento por coronavirus, unas iniciativas en el trabajo a las que esta tecnología podría aplicar, y que he dedicado algo más de tiempo a investigar con sistemas ESP32 que con los convencionales ESP8266. Así que tocó desempolvar los viejos Heltec LoRa que tenía guardados, y ponerlos a funcionar.

Pareja de Heltec LoRa 32 con carcasa impresa en 3D

Pareja de Heltec LoRa 32 con carcasa impresa en 3D

Heltec proporciona una librería bastante interesante para el IDE de Arduino que permite hacer funcionar de una manera bastante sencilla a una pareja de dispositivos. Como decía más arriba, los Heltec pueden funcionar en modo unidireccional (una unidad emisora y otra receptora), bidireccional (intercambio en ambos sentidos para cada dispositivo) o bien en multidifusión (un mensaje es recibido por todos los dispositivos que estén en su rango de alcance). La manera más simple de empezar es con un emisor y un receptor, sin hacer uso de direcciones de dispositivo. Simple y efectivo, la librería viene con ejemplos de funcionamiento de este tipo, y en cuestión de minutos puedes tener un enlace LoRa funcionando. En mi caso, los dispositivos de que dispongo funcionan a 433 MHz, y pude tener comunicación en toda la casa, y en campo abierto pude llegar a establecer sin muchos problemas enlaces de 300 metros con las antenas que traen los dispositivos.

Bien, 300 metros no es gran cosa cuando según el protocolo podemos llegar a decenas de kilómetros. Con estas primeras pruebas pude aprender algunas cosas interesantes:

  • La ubicación de la antena importa. Mucho. Es extraordinariamente importante que las antenas, tanto de emisor como receptor, estén verticales. Solamente este factor es de una importancia enorme para lograr una buena transmisión de la señal entre dispositivos. Pero no es el único. La frecuencia de 433 MHz no se lleva especialmente bien con paredes de hormigón forjado, ni con mallazo metálico. Si puedes poner la antena en espacio abierto, mejor que mejor.
  • Haz uso de una buena antena. Las que vienen con los dispositivos son extremadamente básicas. Hacen bien su función a distancias relativamente cortas, pero cuando intentas subir de nivel, la cosa cambia. Tanto es así, que el fabricante de los dispositivos da un rango de alcance de sus dispositivos de 2.8 km, frente a las decenas que soporta el protocolo. Sigue estando bastante bien para unos dispositivos que no llegan a los 20€ de precio, pero cuando intentas ir un poco más allá, es preciso invertir un poco más.
  • La cantidad de información que transmites importa. Tanto o más que todo lo anterior. A mayor mensaje que trates de enviar, más problemas tendrás para que llegue, debido a posibles interferencias durante el tiempo que estés transmitiendo. Además de esto, pude observar que el RSSI (indicador de fuerza de la señal recibida) se resentía a mayor longitud del mensaje. Así que nada de enviar elegantes datagramas JSON, o largos paquetes de datos. Empaqueta en hexadecimal, transmite los mínimos bytes posibles, y notarás una gran mejora en el rango de alcance de tus sistemas.
  • Optimiza los parámetros de los enlaces en función de lo que busques. Existe la posibilidad de ajustar diversos parámetros de la transmisión. Simplificando mucho, la velocidad de transmisión y el factor de propagación (spreading factor). A una velocidad de transmisión más baja y mayor factor de propagación, más confiable será la entrega del paquete (realizando un símil algo burdo, es como hablar muy despacio y alargando mucho los sonidos), pero necesitarás más tiempo para enviar la misma cantidad de información, por lo que perjudicarás la vida de la batería, y harás más uso de tiempo de señal (lo que en redes LoRa públicas o privadas puede tener su impacto). En mi caso, como se trata de un enlace punto a punto entre dos dispositivos que controlo yo, no tengo que preocuparme demasiado por estos aspectos. Otro parámetro ajustable es la intensidad de la señal emitida (sólo para el emisor), que se puede ajustar hasta 20 dBm, sobre un valor estándar de 14 dBm. De nuevo, a costa de penalizar la duración de la batería.

Tras haber aprendido esto en una serie de pruebas sucesivas, pero en las que no podía verificar el alcance efectivo alcanzado debido al confinamiento, me preparé para hacer una verdadera prueba de campo, en cuanto tuviera la oportunidad. Y la oportunidad llegó hoy. Al haberse permitido salir a realizar actividades deportivas por la mañana, preparé un escenario de prueba que pudiera efectuar mientras -cómo no- saliera a dar una vuelta con la bici por los alrededores de mi domicilio. La prueba consistió en lo siguiente:

  • Preparar un emisor LoRa que pudiera colocar en la bici. Me aburrí bastante pronto de enviar simples secuencias numéricas desde el emisor al receptor. Y dado que los Heltec LoRa son ESP32, con capacidad BLE, desarrollé un aplicativo que permite leer de mi pulsómetro Bluetooth mi ritmo cardíaco, y cada 2 segundos enviarlo empaquetado en hexadecimal, con lo que se puede enviar haciendo uso de tan sólo 2 bytes de información. Para colocarlo cómodamente en la bicicleta, imprimí una carcasa con la impresora 3D que se puede atornillar al manillar. Complementé el emisor con una antena de 7 dBi para 433 MHz, que instalé en el transportín de la bici.
  • Bicicleta con antena y Heltec instalados

    Bicicleta con antena y Heltec instalados

  • Crear un gateway LoRa-MQTT como receptor. La otra mitad del sistema, el receptor, actúa como una pasarela LoRa-MQTT. Se conecta a la red WiFi de mi casa, y vuelca la información recibida por LoRa en mi servidor MQTT, en un topic específico. Además de la información LoRa (decodificada para ofrecer el ritmo cardíaco de nuevo en decimal), añade el RSSI del paquete recibido, para poder verificar de manera sencilla la calidad de la recepción de la señal. De acuerdo a la documentación de LoRa, cualquier cosa peor de -120 dBm implica recibir una señal débil, y por encima de -30 dBm es excelente (el máximo teórico es 0). En mis pruebas, observaba problemas para recibir paquetes cuando el RSSI caía por debajo de -125 dBm.
  • Colocar la antena del receptor en una buena ubicación. Como decíamos antes, la antena y su ubicación importan, también en el receptor. Mi casa se encuentra en el valle del Guadalquivir, en una zona que no es especialmente alta. Lo ideal sería colocarla en lo más alto del tejado, donde hay pocos elementos que bloqueen la vista, y por tanto puedas tener visión directa de los alrededores. Pero no andaba estos días con muchas ganas de andar triscando por los tejados, y de todas maneras tengo un inconveniente en forma de colinas. La colina de Itálica por un lado, que me bloquea gran parte de los campos cercanos por el oeste, y el cerro de Santiponce, al suroeste que hace lo mismo en esa dirección. Así que me he limitado a colocar la antena en la azotea, con vistas razonablemente limpias hacia el norte, este y sureste. No del todo limpias, porque el edificio de pisos que hay junto al teatro de Itálica bloquea gran parte de la visión directa de la ciudad de Sevilla (en otro artículo hablaremos de ello). Pero para pruebas de campo en los alrededores, más que suficiente.
  • Antena del gateway

    Antena del gateway

  • Disponer de un cliente MQTT para verificar la información recibida. Esta parte era sencilla. Un teléfono Android con un cliente MQTT convencional vale perfectamente. Junto con un soporte de móvil para bicicleta, basta para tener toda la información delante de tus ojos.
  • Heltec LoRa 32 con carcasa impresa en 3D

    Heltec LoRa 32 con carcasa impresa en 3D

  • Salir y empezar a rodar. Ironías de la vida, lo más complicado de todo, durante estas jornadas. Ha sido preciso esperar al 2 de mayo para poder hacer la prueba.
Bicicleta utilizada durante las pruebas

Bicicleta utilizada durante las pruebas

Los resultados de la prueba han sido espectaculares. En dirección norte he logrado un enlace de 5.3 km de distancia, sin visibilidad directa con Santiponce, debido a las ondulaciones del terreno. Esto representa casi el doble del alcance que indica el fabricante para este tipo de dispositivos. Si bien esta ha sido la mayor distancia que ha alcanzado un paquete, una señal confiable, sin pérdida apreciable de paquetes, la he conseguido a 4.5 km de distancia, igualmente sin visibilidad directa.

Enlace logrado hacia el norte

Enlace logrado hacia el norte

Hacia el sureste, he alcanzado de manera confiable los 4.2 km de distancia en el enlace, en el mismísimo puente de la SE-30 sobre la Guadalquivir, junto al Estadio Olímpico.

Enlace logrado hacia el sureste

Enlace logrado hacia el sureste

Es probable que la señal pudiera llegar más allá, pero por la configuración del terreno, y porque se alcanzaba el fin del horario establecido para hacer deporte por la mañana, me tocaba volver a casa. También es de reseñar que en esta dirección a gran parte de la zona se encontraba en una sombra de cobertura, ya que las edificaciones de Santiponce, además de los taludes de la autovía y la vía férrea a Huelva se interponían entre ambas antenas, bloqueando la línea directa de visión.

Mapa general de las pruebas

Mapa general de las pruebas

Pero visto lo visto, es bastante posible que a una altura elevada se pueda tener un nivel de recepción decente en la Isla de la Cartuja. Cuando tenga oportunidad, haré pruebas desde la azotea del edificio de GMV, ubicado a 5.2 km de mi receptor.

Durante las pruebas he realizado algunas grabaciones en puntos significativos del recorrido. He compilado las más interesantes en el siguiente vídeo

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