Comunicaciones inalámbricas de bajo consumo con aplicación en los sectores loT de los sistemas inteligentes de transporte y de la telemedida de contadores de agua

Abstract

Esta Tesis Doctoral se centra en las comunicaciones inalámbricas que, desde la pasada década, se han erigido como la mejor alternativa a los costosos despliegues de sistemas cableados. El Internet de las Cosas (IoT) es el ecosistema común que comprende multitud de aplicaciones de interés. Los sistemas inalámbricos han ido integrándose en los últimos años en las soluciones IoT con el doble reto de reducir el coste global y de reducir el consumo de los dispositivos. Normalmente, la alimentación viene dada por baterías cuya vida útil ha de ser extendida el máximo tiempo posible. En este trabajo se identifican las problemáticas actuales que se presentan en el diseño, en el desarrollo, en la implementación y en el despliegue de redes inalámbricas. Dada la creciente diversidad de los sistemas IoT de bajo consumo desarrollados y la dificultad de que estos sistemas escalen en proporción a los requerimientos, se propone un modelo de diseño conjunto de soluciones inalámbricas. A continuación, hasta cuatro aplicaciones IoT son desarrolladas utilizando redes inalámbricas basadas en la norma IEEE 802.15.4. Primeramente, son analizadas las posibilidades tecnológicas que existen para una combinación de sistemas inalámbricos con un objetivo que difiere de los que comúnmente aparecen la literatura: el aprovechamiento de las ventajas individuales de las tecnologías implicadas en la solución conjunta. A partir de ahí, se propone un modelo de red combinada a nivel de dispositivo basado en el estándar de área personal IEEE 802.15.4 y en la tecnología móvil de bajo consumo y área amplia (LPWA) IoT de banda estrecha (NB IoT). Se caracteriza matemáticamente el consumo energético requerido en el enlace de comunicación entre el dispositivo NB IoT y el primer elemento de la red troncal, la estación base. Son considerados todos los parámetros relevantes de esta tecnología (temporizador extendido, temporizador activo, tasa de intercambio de mensajes, número de segmentos en las comunicaciones ascendentes/descendentes y número de tonos en la modulación). Las repeticiones también son evaluadas, como mecanismo que permite definir diferentes niveles de cobertura. En un segundo momento, la topología en árbol de clústeres para la red combinada es descrita. Partiendo de una red IEEE 802.15.4 ya desplegada, se incorporan nodos con doble conectividad a la estructura de la red original. Las diferentes fases de diseño de la red combinada son llevadas a cabo. Se propone un algoritmo de selección enlaces, de forma que los jefes de clústeres elijen en tiempo de ejecución el enlace preferente por el que enviar los paquetes. Dos niveles de simulaciones son completados para la obtención de resultados sobre: 1) el enlace NB IoT individual y 2) la red inalámbrica combinada. Posteriormente, se presentan 3 aplicaciones IoT para la mejora de los sistemas inalámbricos de transporte, desarrolladas en el marco de sendos proyectos de investigación y desarrollo. Un sistema de ayuda a la operación ferroviaria en instalaciones singulares, con aplicación en el Puerto de Sevilla, es mostrado en primer lugar. Se emplean detectores de ejes de ruedas de los trenes de la empresa Pintsch Tiefenbach, especialista en el sector ferroviario, para el algoritmo de cálculo de la longitud de las composiciones y bucles inductivos con forma rectangular para detectar la ocupación de los puntos críticos del trazado (pasos a nivel y cambios de aguja). Tanto la longitud estimada como las ocupaciones se transmiten por la red inalámbrica hacia la plataforma avanzada de integración de servicios (ASIP). El segundo sistema aplica a los transportes por carretera en zonas suburbanas y rurales. Se trata de una nueva solución de bajo coste para mejorar la seguridad en estas vías, en las que las tasas de siniestralidad continúan siendo demasiado elevadas. Se emplean señales de tráfico led parpadeantes que se activan remotamente, según la lógica implementada en el sistema. A través de cámaras, se detecta la presencia de vehículos o personas en torno a los pasos de cebra, así como autobuses en las paradas o animales en las zonas anexas a una carretera rural. Estos eventos permiten enviar las órdenes de encendido y apagado desde el controlador remoto a través de la red inalámbrica programada usando el sistema operativo Contiki. Se puede aplicar a otros tipos de señales verticales de interés gracias al diseño modular. Todos los elementos son autónomos, utilizando paneles solares y baterías para la alimentación. Dos demostradores del sistema (en Villafranca de Córdoba y en Aznalcóllar) han estado funcionando continuadamente durante más de 30 meses con resultados satisfactorios. En una plataforma web se han almacenado todos los eventos registrados y el histórico de los valores medidos por los sensores (temperatura, humedad relativa, iluminancia y lluvia). Un último sistema de ITS, totalmente compatible con el anterior, es ilustrado a continuación. Consiste en el control remoto de la iluminación de intersecciones y zonas del trazado con baja visibilidad. El nivel de intensidad de las luminarias se ajusta en función de las condiciones atmosféricas (iluminancia y presencia de lluvia/nieve) y de la detección de vehículos. El ajuste es, por lo tanto, diferente en cada uno de los momentos del día: noche, amanecer, período diurno y atardecer. El sistema de Villafranca de Córdoba fue ampliado para la validación de este caso de uso, añadiendo las luminarias led con intensidad graduable y aprovechando la mayor parte de los componentes de la solución. El siguiente paso comprende la aplicación de las comunicaciones inalámbricas de bajo consumo a otro sector IoT de relevancia, el de los sistemas de telemedida y smart grid. En el caso de la gestión de las redes de distribución de agua, una de las acciones necesarias es la lectura remota de los contadores de agua presentes en el domicilio o lugar de trabajo de los consumidores para un manejo eficiente del agua. La red basada en el estándar IEEE 802.15.4g transporta los datos leídos por los medidores de caudal hacia una plataforma central de control. Cada dispositivo router distribuye los intervalos de tiempo asignados a los dispositivos finales asociados a él. De esta forma se consigue que los nodos estén la mayor parte del tiempo en estado de bajo consumo. Así, las primitivas de red y de capas superiores son diseñadas para un consumo energético eficiente en las operaciones de adquisición de las medidas. Tras la descripción exhaustiva del diseño e implementación del sistema, el demostrador de validación es presentado. Ha sido desplegado en los laboratorios de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros (Universidad de Sevilla). Los nodos de la red se ubican en interiores para dificultar la propagación debido a las reflexiones, interferencias y a la atenuación de la señal producida en los muros y obstáculos intermedios. Un total de 105 nodos son testados y gestionados desde la plataforma central. La aplicabilidad de la red combinada a nivel de dispositivo a estas aplicaciones de los sectores de los ITS y del smart metering es también contemplado, como primera fase de la implementación de las soluciones. Se prevé en el futuro el desarrollo completo de estos sistemas conforme a la red combinada IEEE 802.15.4 y NB IoT. Con lo cual, las mediciones experimentales complementarán los resultados de simulación obtenidos. Por lo tanto, la aportación de esta Tesis se compone del modelo exhaustivo del enlace NB IoT, del modelo de red combinada con algoritmo de selección dinámica de enlaces y del desarrollo completo de 4 sistemas IoT de bajo coste y bajo consumo. Los resultados han sido recopilados en 4 artículos de revistas internacionales y en 2 aportaciones a congresos de reconocido prestigio. Además, otras 2 publicaciones están parcialmente relacionadas con los contenidos de este trabajo.