PDF de programación - INTERNET DE LAS COSAS LARGA DISTANCIA BAJA POTENCIA

INTERNET DE LAS COSAS

LARGA DISTANCIA, BAJA POTENCIA

LPWAN y LORA

El internet de las cosas (IoT en Ingles) ha ido ganando terreno, de forma tal que cada vez es mas
barato, mas pequeño y consume menos energia
comunicar "cosas" que antes eran impensables. En la actualidad tecnologias como GSM y WiFi
son las mas utilizadas, estas tienen su desventajas:

•

GSM, 3G, LTE:Alto costo: Requiere pago de un plan de datos para realizar la
comunicacion, Alto consumo de energia.

• WiFi, BLUETOOTH : Bajo radio de cobertura ( algunos cuantos metros dentro de

edificaciones Alto consumo de energia!

Para mitigar las falencias que tienen las tecnologias anteriores se ha propuesto el esquema
LPWAN cuyas siglas en Ingles significan
Redes de Area Amplia de Baja Potencia. para lo cual se deben cumplir ciertos requerimientos:

•

•

•

Orientado a dispositivos que se comunican con poca frecuencia y volumenes de datos
relativamente pequeños

Bajo consumo de potencia, para que aparatos alimentados con baterias puedan funcionar
por varios años

Area amplia de cubrimiento, que un dispositivo pueda enviar y recibir datos sin
problemas aun cuando se encuentre dentro de una vivienda, gabinete industrial, etc

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En la actualidad para cubrir esta demanda se estan desarrollando varias tecnologias como LoRa,
LTE-MTC, RPMA, UNB, Weightless entre otros.

La alianza LoRa de la cual hacen parte empresas como CISCO, IBM, SEMTECH, MICROCHIP
y otras busca crear estandares de comunicacion inalambrica para dispositivos que funcionen con
baterias y coberturas regional, nacional o global. La principal ventaja de LoRa es que trabaja en
bandas no licenciadas ISM (Industrial, Scientific and Medical), por lo cual cualquier persona
podria crear su propia red LPWAN sin tener que pagar derechos por el espectro, siempre y
cuando este dentro de las reglamentaciones propias de cada pais con respecto a esta banda.

NiceRF LoRa1276

En la actualidad existen multiples fabricantes que producen modulos compatibles con LoRa.
Todos ellos hacen uso de los chips producidos por SEMTECH, lo que garantiza una buena
interoperabilidad entre modulos de diversos fabricantes. El modulo utilizado es el LoRa 1276,
fabricado por NiceRF. Estos modulos cuestan alrededor de 20 dolares el par (envio incluido) e
incorporan el chip SX1276. El fabricante indica que pueden tener un alcance maximo de 10 Km
en linea de vista, y de 1Km, en ambientes urbanos, con una potencia maxima de transmision de
120 mW. Estos modulos vienen en un empaque muy poco amigable para la experimentacion,
pues la distancia entre los pines (1.27 mm), no es compatible con un protoboard estandar (2.54
mm) , sin embargo con un poco de creatividad se puede hacer una adaptacion.

El chip que incorpora el modulo (SX1276) esta en la capacidad de operar en un rango de
frecuencias de 100 a 1050 mhz. Sin embargo este chip requiere algunos componentes externos
entre la salida y entrada de radio frecuencia y la antena, para minimizar la complejidad del
diseño y por lo tanto costos, el fabricante del modulo pone algunos componentes como
condensadores y bobinas en una red de impedancias acopladas con la antena, con lo que el
modulo solo transmitira y recibira eficazmente en un rango de frecuencia determinado. Este
modulo se comercializa en diferentes modelos para trabajar en diferentes bandas ISM (a,b,c,d).
se debera tener muy en cuenta la normativa del pais especifico en donde se trabaje, pues no todos
los paises permiten utilizar las mismas bandas ISM. En este caso se usara la version de 915 Mhz.

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Lora 1276 y Arduino

La comunicacion con el modulo se hace por medio de SPI, en este caso se utilizo un (Clon!)
Arduino nano para su configuracion. Ademas de los pines tradicionales del SPI, este modulo
requiere el manejo de otras señales adicionales que seran cableadas a pines del arduino. Puesto
que el modulo trabaja a 3.3V y el arduino nano trabaja a 5V, se requiere de algun tipo de
conversion de nivel entre el arduino y el SX1276. Si no se tiene a la mano dicho integrado se
pueden hacer unos divisores de voltaje y trabajar el reloj del SPI en baja velocidad!.

El modulo puede funcionar como transmisor y como receptor, pero no simultaneamente. El
codigo es basado en el ejemplo provisto por el fabricante. Este modulo tiene varios multiples
configuraciones posibles:

Tipo de modulacion: OOK, FSK y LoRa
Correccion y deteccion de errores: FEC y Cheksum
Consumo de energia: Modos de baja potencia para operacion por baterias y modos potencia total.
Supresion de interferencia: Modos de ensanchamiento de espectro y diferentes factores de
frecuencia modulada pulsada

En el ejemplo presentado se utilizo la mayor potencia posible, y los parametros de configuracion
que dan la mejor sensibilidad. El ejemplo aqui presentado funciona de la siguiente forma:

El transmisor envia un mensaje cada determinado intervalo de tiempo. En cada envio se
conmutara el estado de un led, para poder visualizar cuando se transmite.

El receptor esta atento al mensaje. si este es recibido sin errores, se conmutara el estado de un
led. Si se recibe el mensaje, pero tiene algun error, se conmutara el estado de otro led.

De esta forma es muy facil probar el alcance de los dispositivos. se deja el transmisor en un sitio
fijo y se va desplazando el receptor hasta cuando dejen de recibirse mensajes en buen estado o
cuando no llegue absolutamente ningun mensaje en el intervalo de tiempo que deberia hacerse.

Este software es una pequeña muestra, pero es la base para construir un sistema mas robusto

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CONCLUSIONES

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En el ejemplo se utilizo como antena un alambre cortado a 1/4 de longitud de onda de la
señal de transmision (915 Mhz). Con una antena de mejores prestaciones y una ubicacion
alta, como en una torre, o en la azotea de un edificio alto, es probable tener coberturas
mayores dentro de la ciudad
Puesto que los modulos solo proporcionan las capas inferiores del modelo OSI, se esta en
la libertad de escoger una pila de protocolos de comunicacion ya existente o desarrollar
uno propio amoldado a las necesidades
Para probar el maximo de sensibilidad del receptor ( y por lo tanto la maxima distancia
de transmision ) se requiere de un Oscilador de Cristal Compensado en Temperatura
(TCXO) , pues el modulo incorpora un cristal de cuarzo simple
El circuito aqui presentado no comunica un dispositivo propiamente con internet, sin
embargo agregar un modulo Ethernet Arduino al receptor es relativamente simple.

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DIAGRAMA ESQUEMATICO

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ArduinoNano(Rev3.0)RESETAREFA0A1A2A3A4A5A6A7D13/SCKD12/MISOD11/MOSID10D9D8D7D6D5D4D3D2D1/TXD0/RXVIN5V3V3GNDR161kΩR151kΩR18220ΩR191kΩR20220ΩR122.2kΩR71kΩR92.2kΩR132.2kΩR102.2kΩR141kΩC1100nFANT1VCC13VVCC23VPart2LED2Green (555nm)LED1Red (633nm)R171kΩR82.2kΩLoRa1R212.2kΩIC1 PROGRAMA ARDUINO TRANSMISOR

LORA1276TRANSMISOR.ino

/*
Modulo NiceRF LoRa1276 Arduino NANO Clon V3

NANO LoRa1276
D11 MOSI 6 MOSI
D12 MISO 5 MISO
D13 SCK 4 SCK
D10 7 NSS

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*/

// usando la libreria SPI:
#include <SPI.h>

// Definicion de pines digitales
#define MOSI 11
#define MISO 12
#define SCK 13
#define SS 10

#define NRESET 7
#define TXEN 9
#define RXEN 8
#define LED1 A4
#define LED2 A5

// definicion de registros

#define LR_RegFifo 0x00
#define LR_RegOpMode 0x01
#define LR_RegBitrateMsb 0x02
#define LR_RegBitrateLsb 0x03
#define LR_RegFdevMsb 0x04
#define LR_RegFdMsb 0x05
#define LR_RegFrMsb 0x06
#define LR_RegFrMid 0x07
#define LR_RegFrLsb 0x08
#define LR_RegPaConfig 0x09
#define LR_RegPaRamp 0x0A
#define LR_RegOcp 0x0B
#define LR_RegLna 0x0C
#define LR_RegFifoAddrPtr 0x0D
#define LR_RegFifoTxBaseAddr 0x0E
#define LR_RegFifoRxBaseAddr 0x0F
#define LR_RegFifoRxCurrentaddr 0x10
#define LR_RegIrqFlagsMask 0x11
#define LR_RegIrqFlags 0x12
#define LR_RegRxNbBytes 0x13
#define LR_RegRxHeaderCntValueMsb 0x14
#define LR_RegRxHeaderCntValueLsb 0x15
#define LR_RegRxPacketCntValueMsb 0x16
#define LR_RegRxPacketCntValueLsb 0x17
#define LR_RegModemStat 0x18
#define LR_RegPktSnrValue 0x19
#define LR_RegPktRssiValue 0x1A
#define LR_RegRssiValue 0x1B
#define LR_RegHopChannel 0x1C
#define LR_RegModemConfig1 0x1D
#define LR_RegModemConfig2 0x1E
#define LR_RegSymbTimeoutLsb 0x1F

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#define LR_RegPreambleMsb 0x20
#define LR_RegPreambleLsb 0x21
#define LR_RegPayloadLength 0x22
#define LR_RegMaxPayloadLength 0x23
#define LR_RegHopPeriod 0x24
#define LR_RegFifoRxByteAddr 0x25
#define LR_RegModemConfig3 0x26
#define REG_LR_DIOMAPPING1 0x40
#define REG_LR_DIOMAPPING2 0x41
#define REG_LR_VERSION 0x42
#define REG_LR_PLLHOP 0x44
#define REG_LR_TCXO 0x4B
#define REG_LR_PADAC 0x4D
#define REG_LR_FORMERTEMP 0x5B
#define REG_LR_AGCREF 0x61
#define REG_LR_AGCTHRESH1 0x62
#define REG_LR_AGCTHRESH2 0x63
#define REG_LR_AGCTHRESH3 0x64

// longitud del area de datos
#define lon