msgbartop
¡Mano de milenio y gamba!
msgbarbottom

20 sep 20 Antenas de 868 MHz. Aspectos teóricos de transmisión y variedades a mi disposición

Esta entrada es la parte 5 de 7 de la serie Gateway LoRaWAN

Uno de los elementos más importantes del proyecto de gateway LoRaWAN es la antena. En realidad, las antenas, ya que tenemos que tener en cuenta que vamos a tener dos: una de recepción y otra de emisión. En la práctica la afectación que vamos a tener en la calidad de la señal recibida es la misma por la parte emisora y la parte receptora, así que iré al grano en lo que se refiere a la descripción de las mismas. En un artículo anterior sobre LoRa hablé ya algo sobre la importancia de una buena antena, su ubicación, y sus características deseables. No hay nada nuevo en este artículo con respecto a lo comentado en su momento, que me permito recuperar:

  • 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.
  • El tipo de antena importa. Esto es de cajón. Podemos distinguir -de manera muy general- entre antenas omnidireccionales y antenas directivas. La diferencia entre una y otra es la siguiente: mientras que las omnidireccionales emite (o reciben) de cualquier dirección, las directivas enfocan su capacidad hacia una zona concreta, por lo que el alcance obtenido es mucho mayor, a costa de sacrificar versatilidad, ya que las antenas tienen que estar enfocadas hacia la dirección concreta en la que se trate de establecer el enlace. En mi caso, en todo momento estoy tratanto de antenas omnidireccionales, ya que pretendo hacer un uso lo más amplio posible del gateway, sin restringirme a una localización en concreto para el enlace.
link_budget

¿Y cuál es la importancia de la antena en todo esto? Se puede entender muy bien en la imagen de más arriba. Para una descripción más detallada me remito a la página de la red LoRa relativa a las características físicas del enlace, pero ofreceré aquí un pequeño resumen: a la hora de medir la calidad, tenemos que tener en cuenta un parámetro ques el RSSI. Se puede definir en pocas palabras como el indicador de la fuerza de la señal recibida por un dispositivo, y está íntimamente relacionado con la sensibilidad del dispositivo en cuestión. Siempre se expresa en números negativos. Un RSSI de -1 dBm es una señal poco menos que perfecta, y en el caso de los dispositivos Heltec, éstos pueden captar con una calidad aceptable señales con un RSSI de -131 dBm. ¿Y cómo se calcula el RSSI? Es una fórmula resultado de sumar y restar los siguientes parámetros:

  • Potencia de emisión por parte del emisor. Se mide en dBm y, en el caso de los Heltec, puede estar en un máximo de 20 dBm, siendo regulable en tramos. Obviamente, a más potencia de emisión, más alcance tendremos, pero también tendremos un mayor gasto energético.
  • Pérdida del cable a la antena por parte del emisor. El cable que conecta el emisor a la antena provocará una pérdida, que será mayor o menor en función del grosor del cable y la longitud del mismo. Por eso es conveniente hacer uso de los cables más cortos posibles. En el caso del emisor, por razones de economía de espacio y materiales, suelen emplearse cables cortos y finos. Este parámetro se mide en dB.
  • Ganancia de la antena en el caso del emisor. Cómo de buena es la antena a la hora de transmitir la señal. Una antena doméstica puede andar entre los 2 y los 10 dBi, pero es cuestión de invertir dinero para lograr mejores antenas.
  • Pérdida por transmisión aérea (Free space losses). El hecho de viajar por el aire hace que la señal tenga pérdidas. Sin embargo, esta pérdida no es lineal, sino que va en función del logaritmo de la distancia y de la frecuencia de emisión, en base a la siguiente fórmula: L(fs) = 32,45 + 20*log(D) + 20*log(f), expresándose L(fs) en dB, D en km, y f en MHz. Como se puede apreciar, la mayor parte de la pérdida se produce por el mero hecho de poner la señal en el aire, atenuándose mucho la pérdida a medida que aumentan los kilómetros de distancia.
  • Ganancia de la antena en el caso del receptor. Al igual que en el caso del emisor, cómo de buena es la antena a la hora de recibir la señal. Aparte de la señal en sí, importa mucho la ubicación, a ser posible en alto y sin obstáculos, a fin de mantener la zona fresnel lo más limpia posible.
  • Pérdida del cable a la antena por parte del receptor. Igual que en el caso del emisor. El cable que conecta el emisor a la antena provocará una pérdida, que será mayor o menor en función del grosor del cable y la longitud del mismo. Por eso es conveniente hacer uso de los cables más cortos posibles. En el caso del receptor, por lo general se pueden hacer uso de cables más gruesos, pero por razones de ubicación suelen ser considerablemente más largos (varios metros) que en el caso del emisor. Este parámetro se mide en dB.

Llegados a este punto, y mediante sumas y restas sencillas, tenemos el RSSI en base a los parámetros anteriores. El último detalle a considerar es si nuestro RSSI es mayor o menor que la sensibilidad del receptor. Esto nos dirá si la señal que ha llegado al dispositivo puede ser interpretada por éste o no. En mis pruebas, con un RSSI de -131 dBm la señal es captada sin demasiados problemas por el receptor. A partir de ahí, se empiezan a experimentar pérdidas de datos.

IMG_20200920_130957867~2.jpg

En cuanto a las antenas que tengo para este proyecto, dispongo de los siguientes tipos (de izquierda a derecha en la imagen superior):

  • Antena CubeCell: Es la antena que venía con el CubeCell. Como todas las de este artículo, es omnidireccional. No he encontrado información de la ganancia de la misma, pero debe de estar en torno a los 2 dBi. Se conecta al dispositivo directamente.
  • Antena Heltec LoRa 32: Es la antena que venía con el Heltec LoRa 32. Tampoco tengo información del fabricante. La construcción es algo mejor, pero sospecho que debe de andar igualmente por los 2 dBi. En este caso, viene con conector SMA, y se conecta a la placa con un pigtail de unos 5 cm.
  • Antena 5 dBi: Comprada en Aliexpress, declara 5 dBi. 30,1cm de longitud, viene equipada con base magnética, cable de 3m y un conector de tipo SMA. Necesita de un pigtail para conectarla a los dispositivos.
  • Eightwood 868MHz: Adquirida en Amazon, declara 5 dBi. 30,1cm de longitud, viene equipada con un cable de 3m, la antena usa un conector de tipo TNC y el cable SMA, y dispone de base atornillable a una pared. Necesita de un pigtail para conectarla a los dispositivos.
  • Antena 6 dBi: Comprada en Aliexpress, declara 6 dBi. 36cm de longitud, viene equipada con base magnética, cable de 2m y un conector de tipo SMA. Necesita de un pigtail para conectarla a los dispositivos.

En mi caso, he escogido como ubicación de la antena el punto más alto de la casa: la parte superior de la chimenea de ventilación de los cuartos de baño. He fijado en ella una pequeña placa metálica donde colocaré la antena, haciendo uso de su base magnética. Realizaré pruebas con las diversas antenas, para evaluar la eficiencia de las mismas, pero en principio, la antena a utilizar sería la de 6 dBi, ya que tiene la mejor calidad teórica, y hace uso del cable más corto.

VN:F [1.9.20_1166]
Rating: 0.0/10 (0 votes cast)

Etiquetas: , , , , , , , , ,

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.

IMG_20200812_174934627_HDR

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.
    IMG_20200812_174537088
  • 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.
    20200812_162258
  • 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:
    Screenshot_20200812-184803
  • 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:
    Screenshot_20200812-194236

Éste sería un esquema de los dispositivos implicados y las comunicaciones entre ellos:

diagrama-comunicaciones

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.

la-fracha

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.

gmaps1-fracha

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.

20200812_171838-editada

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.

Screenshot_20200812-171110_OruxMaps-1

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.

20200812_172055

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.

IMG_20200812_194815559_1

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:

gmaps1-penarada

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.

Screenshot_20200812-183019_MyMQTT

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

Screenshot_20200812-183920

Captura de Oruxmaps en la que se aprecia la distancia alcanzada

IMG_20200812_184526000

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.

IMG_20200812_183845500_HDR

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

IMG_20200812_184346134_HDR

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.

20200812_190719

Estación de bombeo de Hidrofreixa

Screenshot_20200812-191026_OruxMaps

Enlace desde Hidrofreixa, de 5,48 km

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

captura-grafana-pruebas

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…

VN:F [1.9.20_1166]
Rating: 10.0/10 (1 vote cast)

Etiquetas: , , , , , , , , , , , ,

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

VN:F [1.9.20_1166]
Rating: 9.0/10 (1 vote cast)

Etiquetas: , , , ,