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01 sep 20 Gateway LoRaWAN: Alimentación eléctrica

Esta entrada es la parte 2 de 7 de la serie Gateway LoRaWAN

Una de las primeras cosas que tuve clara cuando me decidí a instalar un gateway LoRaWAN en casa es que el proyecto tendría que estar sostenido por energías renovables. Mi intención es colocar la antena del dispositivo en el punto más alto de la casa, en la chimenea de evacuación de gases de los cuartos de baño, y eso implica que esa ubicación no dispone de toma eléctrica. Sería posible hacer uno de un cable largo para llevar la conexión de la antena a un punto donde disponga de alimentación eléctrica, o bien sacar una derivación de la alimentación del aire acondicionado que tengo en la buhardilla. Pero seamos sinceros: no es tan interesante como plantearse un sistema de alimentación renovable (y en el primer caso, nos enfrentamos a una más que posible caída de la eficiencia de la antena, por el solo hecho de utilizar un cable más largo del estrictamente necesario). Y en este caso, el sistema elegido ha sido la energía solar.

No es este -bien lo sabrá quien me haya seguido a lo largo de los años- un proyecto estrictamente nuevo para mí. Hace ya años que tuve la idea de montar un aerogenerador en el tejado, con el que estuve haciendo una serie de pinitos en casa. Pero la verdad sea dicha, no fueron unas pruebas demasiado exitosas. Tuve durante un tiempo la iluminación de la casa alimentada por energía eólica, apoyada por un panel solar, pero fue un intento demasiado prematuro: la iluminación que teníamos por aquel entonces era principalmente de lámparas electrónicas, y en la práctica la cantidad de aire en Santiponce no bastaba para generar la energía suficiente como para que el aerogenerador produjera la corriente necesaria. Aquel proyecto quedó abandonado cuando nos fuimos a Irlanda, pero me dejó algunos componentes que he podido reaprovechar.

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El principal es un panel solar de 100W que adquirí como sistema de apoyo para el aerogenerador. Éste sí que funcionaba espectacularmente bien. Incluso tuve durante un tiempo conectado un portátil al sistema de baterías que utilizaba, haciendo uso de un inversor. Pero en la práctica, el sistema tenía bastantes ineficiencias, y el portátil apenas aguantaba unas cuantas horas encendido antes de drenar completamente la batería. En su momento, para colocarlo en el tejado, me hice construir un bastidor metálico que anclé al lateral del tejado. En su día desmantelé el panel y lo guardé en Córdoba, pero el bastidor se quedó colocado (estaba fijado con pernos y tacos químicos, como para quitarlo de ahí), y allí estuvo durmiendo el sueño de los justos. Pero lo he traído de vuelta para este proyecto. Ha sido toda una sorpresa ver el bastidor, que seguía en perfectas condiciones en el tejado.

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El segundo elemento, cómo no, ha sido el controlador de carga y la batería. El controlador es el proveniente de mi instalación eólica. En su momento adquirí un controlador dual, capaz de gestionar la carga proveniente de un aerogenerador trifásico en alterna y de un panel solar de 12 voltios en continua. Como es obvio, no estoy haciendo -ni lo voy a hacer- uso del aerogenerador, pero sí de la parte solar. Tras 5 años desconectado, tenía mis dudas de si seguiría funcionando. Pero lo hace, y perfectamente.

Por último, la batería: es una batería convencional de coche, de 12 voltios, proveniente de mi añorado Alfa 33. Estaba nueva cuando el coche se vendió en 2017, y estaba igualmente criando polvo en Córdoba. Ha sido necesario someterla a un ciclo de carga, pero de momento parece que está bien. He colocado tanto el controlador como la batería en una caja -ejem- estanca, con la idea de protegerlos de la lluvia. Me preocupa en cierta medida el posible calentamiento al que puedan estar sometidos, pero se han tirado varios días al sol, probando el nivel de calentamiento, y el resultado ha sido satisfactorio. En cualquier caso, este es un proyecto experimental, con idea de probar precisamente estas cosas.

EL sistema, por tanto, trabaja a 12 voltios en continua. Dado que voy a utilizar como elemento base para el gateway un dispositivo Heltec con Arduino, que trabajan a 5 voltios en continua, tendré que incorporar un elemento para convertir el voltaje. Probablemente haga uso de un buck converter DC-DC de 24v a 5v, regulable, como el que utilicé en el proyecto del difusor de aceites. Pero eso ya quedará para otro capítulo.

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01 sep 20 Gateway LoRaWAN: Introducción

Esta entrada es la parte 1 de 7 de la serie Gateway LoRaWAN

Durante los últimos meses he estado haciendo algunos pinitos con la tecnología LoRa, como he ido relatando en este sitio. Me lo he pasado bastante bien trabajando con esta tecnología, y sobre todo, he disfrutado enormemente haciendo algunas pruebas de campo. Es por ello que he decidido dar un paso más en la secuencia, y estoy decidido a implantar un gateway LoRaWAN en casa, a fin de poder realizar estos experimentos de una manera más consolidada. Sin embargo, esta idea de implementar el gateway LoRaWAN no se queda sólo en la realización técnica del dispositivo, sino que tiene una serie de derivadas, que me permitirán explorar otras líneas tecnológicas en las que llevo tiempo pensando y -en algunos casos- años interesado.

Por ello, he decidido crear una nueva serie en esta bitácora, dedicada específicamente a la planificación, diseño, implementación y pruebas de mi gateway LoRaWAN. Sirva este breve artículo como introducción.

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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:
    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.

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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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