MEMORIA DE PROYECTO
“Smart Person Tracking LoRaWAN”
ANTARTICLAB – CSIC
PLAN PROXECTA+ 2022-23
GRUPO 2 DE ALUMNOS DEL CFGS DE SISTEMAS
DE TELECOMUNICACIONES E INFORMÁTICOS
DEL IES URBANO LUGRÍS DE A CORUÑA
Docentes: Jesús A. Calvete Espido, Daniel Ríos Suárez, Carmen Gallego Gómez
SMART PERSON TRACKING LORAWAN
ANTARTICLAB
CONTENIDO
1
INTRODUCCIÓN ...........................................................................................................2
2
OBJETIVOS ....................................................................................................................2
2.1
Motivaciones ................................................................................................................................................ 3
3
EXPLICACIÓN DEL PROYECTO ..............................................................................3
3.1
Introducción a la tecnología LoraWan ......................................................................................................... 5
3.1.1
Componentes LoraWan ............................................................................................................... 5
3.1.2
Arquitectura de la red .................................................................................................................. 6
4
DESARROLLO DEL PROYECTO .............................................................................6
4.1
Elementos de la red LoraWan ...................................................................................................................... 6
5
EVOLUCIÓN DEL PROYECTO .................................................................................7
5.1
Estado actual del proyecto ............................................................................................................................ 7
5.2
Estado a alcanzar del proyecto ..................................................................................................................... 8
5.3
Posibles ampliaciones ................................................................................................................................... 8
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SMART PERSON TRACKING LORAWAN
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ANTARTICLAB
INTRODUCCIÓN
Los proyectos científicos llevados a cabo en la campaña Antártica española se desarrollan
fundamentalmente en la BAE Juan Carlos I, situada en la isla Livingston, la BAE Gabriel de
Castilla, situada en la isla Decepción, ambas en el archipiélago de las Shetland del Sur, y los
buques oceanográficos Hespérides y Sarmiento de Gamboa.
La Antártida es el continente más frío y ventoso del mundo. El trabajo desarrollado por
el personal técnico en la Antártida conlleva largas horas de trabajo al exterior, muchas veces bajo
condiciones meteorológicas adversas. En esta región los cambios de tiempo se producen a menudo
de forma repentina, en ocasiones la entrada rápida de nubes bajas denominada “Whiteout” impide
por completo la visibilidad dejando como única opción para volver a la BAE el uso de la ruta
grabada en el GPS que garantiza que no se va a pasar cerca de ninguna de las peligrosas zonas de
grietas.
En estas condiciones, la seguridad personal es un tema vital importancia. La tecnología
puede jugar un papel fundamental en la mejora de la seguridad de las personas. Por esta razón,
hemos decidido llevar a cabo un proyecto de innovación que consiste en el seguimiento inteligente
de personas mediante la utilización de tecnología LoRaWAN. Nuestra primera opción consistía
en el despliegue de una red 5G que dotase de cobertura de manera local a los teléfonos móviles
del personal. Dicha idea fue descartada tras las consultas realizadas a Joan Riba jefe de la base
Juan Carlos I
2
OBJETIVOS
El uso de la tecnología LoRaWan implementada en un primer momento en la BAE Juan
Carlos I tiene como objetivo brindar una solución de comunicación inalámbrica de larga distancia,
pudiendo alcanzar distancias de 20 Km, eficiente en términos de energía y con una amplia
cobertura. Al dotar a los usuarios de un dispositivo GPS de ultrabajo consumo en el momento de
abandonar la base, permitirá saber a los equipos de rescate la ubicación y estado de cada una de
las personas. En una segunda fase, esta tecnología es escalable a la BAE Gabriel de Castilla y a
los buques oceanográficos Hespérides y Sarmiento de Gamboa, así como a las bases de terceros
países facilitando de este modo la cooperación internacional con el resto de los países con
presencia en la Antártida en temas de seguridad.
El uso de la tecnología LoRaWAN para el seguimiento inteligente de personas en
condiciones climatológicas adversas tienen como objetivos:
•
Aumentar la seguridad: Al proporcionar información precisa y en tiempo real sobre la
ubicación y el movimiento de las personas, es posible responder rápidamente a situaciones de
emergencia y reducir el riesgo de lesiones o daños personales.
•
Optimizar la logística: Otra posible meta del uso de la tecnología LoRaWAN para el
seguimiento inteligente de personas en condiciones climatológicas adversas es optimizar la
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logística de los equipos de rescate y los servicios de emergencia. Al tener información precisa
sobre la ubicación de las personas en peligro, es posible planificar mejor las rutas de rescate y
reducir el tiempo de respuesta en situaciones críticas.
•
Facilitar la coordinación: La tecnología LoRaWAN también puede ser útil para la coordinación
de los equipos de rescate y los servicios de emergencia. Al contar con información precisa y
en tiempo real sobre la ubicación de las personas, es posible coordinar mejor los esfuerzos de
rescate y garantizar que se asignen los recursos necesarios de manera efectiva.
•
Mejorar la eficiencia: El uso de la tecnología LoRaWAN también puede tener como objetivo
mejorar la eficiencia de los procesos de seguimiento. Al utilizar sensores y tecnología de
geolocalización de alta precisión, es posible obtener información más precisa sobre la
ubicación de las personas, lo que puede ayudar a reducir el tiempo y los recursos necesarios
para llevar a cabo el seguimiento.
2.1
Motivaciones
Con este proyecto, esperamos contribuir a la mejora de la seguridad personal,
especialmente en situaciones de emergencia o peligro. El seguimiento inteligente de personas
mediante tecnología LoRaWAN tiene un gran potencial para salvar vidas y reducir el riesgo de
lesiones o daños personales.
la Antártida es conocida por presentar una climatología hostil, con condiciones
extremadamente frías y ventosas. Además, los vientos son constantes y muy fuertes, con
velocidades que pueden superar los 180 km/h.
Esta climatología hostil hace que cualquier actividad en la Antártida sea un desafío,
especialmente en lo que respecta a la seguridad de las personas que trabajan en la región. Es
importante tomar medidas de seguridad adecuadas y contar con tecnología y equipos que sean
resistentes a las condiciones climáticas adversas de la Antártida. La tecnología LoRaWAN puede
ser útil en este sentido, ya que es una tecnología inalámbrica de largo alcance y bajo consumo de
energía que puede transmitir datos en condiciones adversas.
Durante la videoconferencia escuchamos al Sr. Joan Riba hablar de la importancia de
garantizar la seguridad de los científicos y personal que realizan tareas de investigación. En el año
22-23 el número de participantes fue de 300 personas entre personal científico, técnico, dotación
y tripulación. Es nuestro deseo contribuir a mejorar la seguridad de todos los participantes en las
expediciones científicas en la Antártida.
3
EXPLICACIÓN DEL PROYECTO
Nuestro proyecto consiste en la instalación de un Gateway de comunicaciones LoraWan
de exterior en la BAE Juan Carlos I, con ella daremos cobertura dentro de un radio de unos 20Km
a los usuarios que abandonen la base durante las tareas de investigación y que portarán un
rastreador GPS DRAGINO Tracker GPS LGT-92. El rastreador se comunicará con el Gateway
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LoraWan para enviarle en tiempo real la posición, la temperatura, la humedad y si el usuario se
encuentra en movimiento. El rastreador dispone además de un pulsador que el usuario podrá pulsar
en caso de que se encuentre en una situación de peligro.
El Gateway estará conectado con un servidor en la nube TTN (THE THINGS
NETWORK) al cual podremos acceder para conocer los datos que envían los nodos rastreadores.
Dicho GateWay se conectará a la nube a través de la red satelital Iridium. La tecnología LoraWan
está especialmente adecuada para la transmisión pequeñas cantidades de datos lo cual es
compatible con las limitaciones que presenta la transmisión satelital Iridium.
La elección de este tipo de tecnología esta basada en las características que presenta esta
tecnología frente a otras. LoraWan es una tecnología de comunicación de largo alcance y bajo
consumo de energía que se utiliza comúnmente en la industria del IoT (Internet de las cosas). Se
trata de una tecnología que ya está testeada en ambientes hostiles. Los motivos por los que
seleccionamos esta tecnología son:
•
Alcance: LoraWan es capaz de proporcionar comunicación de largo alcance, más de 10
kilómetros en áreas rurales. Esto lo hace ideal para aplicaciones que requieren una
cobertura amplia como es nuestro caso.
•
Bajo consumo de energía: LoraWan utiliza muy poca energía para transmitir datos, lo
que significa que los dispositivos pueden funcionar con baterías de larga duración. Esto
hace que LoraWan sea una opción atractiva para aplicaciones en las que el acceso a la
energía es limitado o costoso.
•
Seguridad: LoraWan proporciona un alto nivel de seguridad en la transmisión de datos
gracias al cifrado de extremo a extremo.
•
Bajo costo: LoraWan es una tecnología de comunicación de bajo costo, lo que hace que
sea una opción económica para una amplia gama de aplicaciones. Además, la
infraestructura necesaria para implementar LoraWan es relativamente simple y se
puede desplegar de manera eficiente.
•
Escalabilidad: LoraWan es altamente escalable, lo que significa que se puede utilizar
para conectar una amplia gama de dispositivos y aplicaciones. Este ultimo punto es
muy interesante ya que en caso de que las bases de terceros países tuviesen instalado
un GateWay LoraWan conectado al servidor TTN, en caso de que nuestros usuarios se
encuentren fuera del alcance de nuestro GateWay, emplearían para la comunicación
cualquier GateWay conectado al servidor TTN que se encuentre dentro de su radio de
cobertura, todo ello bajo una comunicación segura ya que está cifrada extremo a
extremo.
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En resumen, el uso de LoraWan está justificado en aplicaciones que requieren una
comunicación de largo alcance y baja potencia, seguridad en la transmisión de datos, bajo costo y
alta escalabilidad.
3.1
Introducción a la tecnología LoraWan
La especificación LoRaWAN es un protocolo de red de área amplia y baja potencia
(LPWA) diseñado para conectar a internet dispositivos inalámbricos que funcionan con baterías a
y se cumple con los requisitos clave de Internet de las cosas (IoT) como servicios de comunicación
direccional, seguridad de extremo a extremo, movilidad y localización.
La arquitectura de red LoRaWAN se implementa en una topología de estrella en la que
las Gateways de enlace transmiten mensajes entre los dispositivos finales y un servidor de red
central. Los Gateways están conectadas al servidor de red a través de conexiones IP estándar,
actúan como un puente transparente, simplemente convirtiendo paquetes de RF en paquetes de IP
y viceversa.
La especificación define los parámetros de la capa física del dispositivo a la
infraestructura (LoRa) y el protocolo (LoRaWAN) y, por lo tanto, proporciona una
interoperabilidad perfecta entre los fabricantes, como se demuestra a través del programa de
certificación de dispositivos.
3.1.1 Componentes LoraWan
En una instalación LoraWan con encontramos con una serie de dispositivos que
desempeñan distintas funciones dentro de la red.
•
Dispositivos finales: Los dispositivos o nodos finales son sistemas que poseen
integrada la capa física de comunicación LoRa que se usa para crear el enlace de
comunicación. Son los dispositivos que se adaptan a las diversas aplicaciones de la
industria, capaces de capturar y transmitir información relacionada con sensores y
recibir información de control a través de los gateways.
•
Gateways: conocidos también como puertas de enlace, concentradores o estaciones
base son dispositivos que capturan y reciben información relacionada con los
dispositivos finales y la envían a través de una comunicación TCP/IP por WiFi,
Ethernet o satélite al servidor de red.
•
Servidor de red: El servidor de red se conecta a varios gateways por TCP/IP, y se
encarga de eliminar mensajes duplicados y decidir qué gateway debe responder a un
mensaje de nodo final. También controla en los nodos finales la tasa de transmisión
de datos para maximizar la capacidad de la red y extender la vida útil de sus baterías.
•
Servidores de aplicaciones: Los servidores de aplicaciones se conectan al servidor de
red para enviar y recibir datos relacionados con las aplicaciones de los usuarios, por
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ejemplo, la información para visualizar un dashboard de monitorización de
dispositivos.
3.1.2 Arquitectura de la red
La arquitectura de una solución LoRaWAN se compone de una red de redes en estrella. La
primera estrella está formada por los nodos finales y los gateways; y la segunda estrella
formada por los gateways y el network server. El servidor de red es el punto central que
conecta a los dispositivos con las aplicaciones y que permite el control de la red. En esta
imagen podemos ver cómo interactúan los componentes.
4
4.1
DESARROLLO DEL PROYECTO
Elementos de la red LoraWan
Para el desarrollo del proyecto Smart Person Trackign LoraWan emplearemos los
siguientes dispositivos:
En la BAE Juan Carlos I
•
Gateway de exterior RAK7249 WisGate Edge Max
•
Caja con prensaestopa IP67/NEMA-6
•
Inyector de alimentación PoE (802.3 af) + con protección contra sobretensiones.
•
Antena WiFi
•
Antena LoRa
•
Antena GPS
•
Mástil si fuese preciso
•
PC con conexión a internet para administrar los nodos en la red y hacer el
seguimiento y visualización de los datos que se alojan en el servidor
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•
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Antenas, módems, módulos de radio y tarjetas de red para la comunicación de
datos de forma bidireccional que se realizará usando la red satelital de Iridium.
Opcionalmente:
•
Batería de Litio opcional
•
Panel solar de alimentación AC opcional
Emplearemos cinta vulcanizada a fin de evitar que la humedad penetre en las uniones de
las antenas con el Gateway.
En el exterior de la Base dotaremos a cada usuario con un módulo rastreador de bajo
consumo DRAGINO Tracker GPS LGT-92.
5
5.1
EVOLUCIÓN DEL PROYECTO
Estado actual del proyecto
Tras realizar un estudio de las opciones tecnológicas analizando las prestaciones de cada
una de ellas y decantarnos por la tecnología LoRaWan, realizamos la instalación física del
Gateway, dimos de alta nuestro y configuramos nuestro Gateway en el servidor gratuito TTN (The
Things Network), realizamos un mapeado de la cobertura y registramos y configuramos varios
nodos en la cuenta de TTN.
Estos trabajos realizados nos han servido para comprender los fundamentos de esta
tecnología y para probar la idoneidad de la solución aportada en este proyecto como
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5.2
ANTARTICLAB
Estado a alcanzar del proyecto
En la actualidad nos encontramos probando el DRAGINO Tracker GPS LGT-29 a fin
probar el dispositivo de funcionamiento, duración de la batería. Por otra parte, estamos trabajando
en la visualización de datos Dashboard que nos envía el nodo.
5.3
Posibles ampliaciones
Como señalamos anteriormente la tecnología LoRaWan es fácilmente escalable, seria
posible instalar otro Gateway en la BAE Gabriel de Castilla, y los buques oceanográficos
Hespérides y Sarmiento de Gamboa. Además, sería interesante explorar la posibilidad de
cooperación con las bases de terceros países.
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