Actualmente, el Internet de las Cosas (IoT) aplicado a las ciudades se ha convertido en una de las tecnologías más importantes y útiles para las Ciudades Inteligentes, debido a las numerosas aplicaciones que ofrece.
En términos generales, el uso de la tecnología IoT es capaz de mejorar la gestión urbana de forma cualitativa y en diferentes ámbitos, como el transporte, la eficiencia energética, la gestión de los residuos urbanos o el mantenimiento de los activos urbanos.
Esto se consigue recogiendo y aprovechando los datos que se obtienen para ofrecer una mejor calidad de vida a sus residentes, siempre basada en la eficiencia. Para ello, se lleva a cabo un tratamiento inteligente de los datos, junto con el uso de sensores y tecnologías de tratamiento de datos de bajo coste.
La apuesta de Terrassa por este tipo de tecnología pasa por el despliegue de su propia Red IoT, que se basa en las tecnologías LoRa/LoRaWAN, que es una especificación de LPWAN (Low Power Wide Area Network), en la que los dispositivos tienen un bajo consumo energético y una muy baja potencia de transmisión. El precio que se paga por este bajo consumo de energía y esta baja potencia de transmisión es la baja velocidad de transmisión, pero para una red de sensores es suficiente.
LoRa (Long Range) permite transmisiones de largo alcance con bajo consumo de energía. Se basa en técnicas de modulación de espectro ensanchado, que utiliza la radiofrecuencia de 868 MHz de sub-gigahercios en Europa. LoRa sólo cubre la capa física, mientras que otras tecnologías y protocolos como LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) cubren las capas superiores. LoRaWAN también se encarga de gestionar las frecuencias de comunicación, la velocidad de datos y la potencia de todos los dispositivos.
Estudio de cobertura
Uno de los aspectos a tener en cuenta a la hora de diseñar la arquitectura de la red es disponer de un buen modelo digital de la orografía de la ciudad. Con esta cartografía (en calidad de resolución media-alta), es posible calcular un buen modelo de propagación, que permita hacer una estimación/validación del número de pasarelas a instalar para garantizar una adecuada cobertura en la ciudad.
Este estudio es muy importante porque estamos hablando de dispositivos que cubren toda la ciudad, pero cuya potencia de transmisión es equivalente a la de cualquier teléfono móvil que se pueda llevar en el bolsillo.
Arquitectura LoRaWAN de Terrassa
Para el despliegue de su red, la ciudad de Terrassa ha seguido la arquitectura estándar de las redes LoRaWAN, que consiste en un conjunto de nodos finales (end-nodes: sensores y actuadores que transmiten cuando tienen datos disponibles para enviar), un número adecuado de pasarelas (o gateways) y un servidor de red, además de varios servidores de aplicaciones (que utilizan los datos generados por los nodos o dispositivos finales).
Dispositivos finales (o nodos finales): Un nodo final LoRaWAN puede ser un sensor, un actuador o ambos. Suelen funcionar con baterías. Estos dispositivos finales se conectan de forma inalámbrica a la red LoRaWAN a través de pasarelas que utilizan la modulación de RF LoRa.
Pasarelas: Una pasarela recibe los mensajes LoRa de los dispositivos finales y los reenvía al servidor de red. Las pasarelas están conectadas a Internet a través de un enlace IP. El tráfico IP de la pasarela al servidor de red puede transmitirse a través de diferentes tecnologías, como enlaces móviles, WiFi, Ethernet, fibra óptica u otros enlaces de radio.
Servidor de red: El servidor de red gestiona toda la red LoRaWAN. Recibe el tráfico IP de las pasarelas. El servidor de red es responsable de las funciones de gestión de la red, como la activación de los dispositivos, el enrutamiento de los mensajes o el control de la velocidad de los datos, entre otras.
Servidor/es de aplicaciones: El servidor de aplicaciones procesa los mensajes de datos específicos de aplicación recibidos de los dispositivos finales. También es responsable de generar información de aplicación para los dispositivos finales que se entrega a través del servidor de red. Una red LoRaWAN puede tener más de un servidor de aplicaciones. Los datos recogidos pueden interpretarse aplicando técnicas como el aprendizaje automático y la inteligencia artificial para resolver problemas de negocio.
Para facilitar la gestión de la integración de los datos (que tienen un tratamiento inicial en el servidor de red) y debido al hecho de que cada sensor puede enviar diferentes tipos de datos, con diferentes niveles de seguridad, añadimos un sistema intermedio entre el servidor de red y los servidores de aplicación, llamado Node-RED, que actuando como un sistema EAI (Enterprise Application Integration) nos permite extraer los datos e integrarlos en las diferentes aplicaciones consumidoras.
Como mejora adicional, se ha utilizado Sentilo (una plataforma de sensores y actuadores de código abierto), que nos permite tener un repositorio centralizado de datos, visualizarlos y hacer posible que cualquier aplicación se suscriba a ellos.
Por último, y esencial para esta arquitectura de ciudad inteligente, se ha vuelto a utilizar el sistema Node-RED, pero esta vez para que funcione como Procesador de Eventos Complejos (o CEP en sus siglas en inglés), con el objetivo de aplicar reglas de negocio que permitan la toma de decisiones y la ejecución de acciones (por ejemplo, enviar una orden para que un camión recoja los residuos cuando el sensor del contenedor indique que está lleno).
Esta arquitectura, ya preparada y en funcionamiento, como punto de partida, permite a la ciudad desplegar una red de sensores y actuadores, que son los dispositivos más importantes de una red IoT. Con la información generada por los diferentes elementos sensorizados, utilizada de forma adecuada, será posible mejorar la calidad de vida de las personas.
LoRaWAN web, sobre arquitectura:
https://www.thethingsnetwork.org/docs/lorawan/architecture/
Servidor de red, The Things Network Stack V3:
https://www.thethingsnetwork.org/tech-stack#section1
LPWAN, Wikipedia:
https://en.wikipedia.org/wiki/LPWAN
Sentilo web: https://www.sentilo.io/wordpress/
Node-RED web:
(EAI) Enterprise Application Integration, Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Enterprise_application_integration
https://es.wikipedia.org/wiki/Extract,_transform_and_load
(CEP) Complex Event Processing, Wikipedia:
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