La principal característica de LoRaWAN es su largo alcance. Puede alcanzar distancias de varios kilómetros en entornos urbanos y hasta decenas de kilómetros en áreas rurales. Esto permite la cobertura de amplias zonas geográficas sin necesidad de una infraestructura costosa y compleja.

Otra ventaja significativa de LoRaWAN es su bajo consumo de energía. Los dispositivos que utilizan esta tecnología pueden funcionar con baterías de larga duración, incluso durante varios años, lo que reduce la necesidad de reemplazo frecuente de baterías o de una alimentación eléctrica constante.

La arquitectura de LoRaWAN se basa en una red de estaciones radio-base, llamadas gateways, que actúan como enlaces entre los dispositivos finales y la infraestructura de red. Estos gateways reciben y envían datos desde y hacia los dispositivos utilizando una técnica de modulación de espectro ensanchado llamada CHIRP.

Una de las aplicaciones más relevantes de LoRaWAN es su papel en el desarrollo de Smart Cities. Esta tecnología permite la recopilación y transmisión de datos desde diversos sensores y dispositivos ubicados en la ciudad, como medidores inteligentes, sensores de calidad del aire, sistemas de iluminación inteligente y contenedores de basura inteligentes.

Actualmente existen redes LoRaWAN en todo el mundo, la más conocida es The Things Network. En Ecuador, el país donde vivo, existe una iniciativa muy buena llamada IoTodos.com, que proporciona acceso gratuito a proyectos de start-ups. La cobertura de IoTodos está creciendo constantemente y en la actualidad se extiende por algunas provincias. Lo interesante de LoRaWAN es que en la mayoría de países no es necesario licencias de operación, debido a que se transmite sobre una banda del espectro, libre de licenciamiento.

Gracias a su largo alcance y bajo consumo de energía, LoRaWAN es ideal para conectar dispositivos IoT distribuidos por toda la ciudad. Esto proporciona a las autoridades locales una visión completa y en tiempo real de diversos aspectos, como el tráfico, el consumo energético, la calidad del aire y la gestión de residuos.

Con la implementación de LoRaWAN en una Smart City, es posible optimizar la planificación urbana y mejorar la calidad de vida de los ciudadanos. Por ejemplo, los datos recopilados pueden ayudar a reducir el tiempo de desplazamiento, identificar patrones de contaminación, ahorrar energía y mejorar la eficiencia de los servicios públicos.

LoRaWAN también permite la implementación de servicios inteligentes, como la monitorización remota de infraestructuras críticas, la gestión eficiente del agua y el riego, la monitorización de niveles de ruido y la detección temprana de incendios.

Además, la flexibilidad de LoRaWAN permite su aplicación en entornos rurales, donde la cobertura celular convencional es limitada. Esto abre la puerta a soluciones de agricultura inteligente, monitorización de ganado, control de riego y seguimiento de vehículos.

En otro artículo, más técnico, explico cómo implementar una estación transmisora de datos a través de LoRaWAN de muy bajo costo.

La seguridad es otro aspecto crucial en la implementación de Smart Cities, y LoRaWAN cuenta con mecanismos de encriptación y autenticación para proteger los datos transmitidos. Esto garantiza la confidencialidad e integridad de la información sensible recopilada por los dispositivos IoT.

Otra ventaja de LoRaWAN es su escalabilidad. La red puede soportar miles de dispositivos conectados simultáneamente, lo que la hace adecuada para implementaciones a gran escala en ciudades de cualquier tamaño.

LoRaWAN es una tecnología de código abierto y está respaldada por una comunidad global de desarrolladores, lo que facilita su adopción y la creación de soluciones personalizadas para cada Smart City.

Además, los costos de implementación y operación de una red LoRaWAN son considerablemente más bajos en comparación con otras alternativas de conectividad, como las redes celulares o el Wi-Fi.

La interoperabilidad es otro punto destacado de LoRaWAN. Los dispositivos compatibles con este protocolo pueden funcionar en cualquier red LoRaWAN alrededor del mundo, permitiendo una mayor colaboración y transferencia de conocimientos entre diferentes ciudades inteligentes.

Algunas ciudades en todo el mundo ya han comenzado a implementar LoRaWAN como parte de su estrategia de desarrollo urbano inteligente. Barcelona, Amsterdam y Singapur son ejemplos de ciudades que han adoptado con éxito esta tecnología.

A medida que el concepto de Smart City continúa expandiéndose, la importancia de LoRaWAN como un protocolo de comunicación eficiente y escalable seguirá en aumento. Su capacidad para habilitar la conectividad y la recopilación de datos en tiempo real es fundamental para una gestión urbana más efectiva y sostenible.

En resumen, LoRaWAN ofrece un enfoque de conectividad de largo alcance, bajo consumo de energía y alta escalabilidad para las Smart Cities. Su capacidad para integrar y recopilar datos de manera eficiente, junto con su bajo costo de implementación, lo convierte en una opción valiosa para el desarrollo y la evolución de las ciudades inteligentes en todo el mundo.

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Qué tarjetas ESP32 están soportadas?

Teóricamente cualquier tarjeta ESP32. Las que puedo confirmar en lo personal son:

• Heltec WiFi LoRa
• HiLetgo ESP-WROOM-32 (sin LoRaWAN)
• Yubox Node
• Yubox ONE

Aquí haré un pequeño tutorial de cómo instalar YuboxNow en la tarjeta Heltec WiFi LoRa, debido a que es muy fácil conseguirla. Dejo vínculo a Amazon.

Más información de la placa Heltec WiFi LoRa en su sitio Web oficial https://heltec.org/project/wifi-lora-32/

Requisitos

• Un board ESP32 soportado
• Arduino IDE, al menos versión 1.8.13
• Soporte ESP32 para Arduino IDE (Arduino-ESP32), versión 2.0.3 o superior (esto se hace en el gestor de placas de Arduino)
• Bibliotecas de YUBOX Now y dependencias actualizadas

Paso 1) Instalar Plugins de Arduino

El sketch de YUBOXNow se puede compilar desde el Arduino IDE, como se hace con otros proyectos. Se debe de elegir el board “Heltec WiFi LoRa 32 (V2)” desde el gestor de tarjetas. Debemos también tener en cuenta que vamos a necesitar tener los siguientes PLUGINS e Arduino instalados previamente. No confundir plugins con librerías.

• YUBOX – Assemble HTML Interface: crea el directorio data/ y reúne los módulos de YUBOXNow en los archivos HTML y Javascript para el SPIFFS inicial. Se trata de una librería que se puede descargar de este vínculo, en formato ZIP y se instala dentro del directorio “tools” que se encuentra en la carpeta base de Arduino.
• ESP32 Sketch Data Upload: genera y carga el sistema de archivos SPIFFS inicial de YUBOXNow al board. Se puede instalar desde el gestor de bibliotecas del ArduinoIDE o se pueden seguir las instrucciones aquí: https://github.com/me-no-dev/arduino-esp32fs-plugin

Luego de instalar estos plugins la carpeta tools debe quedar parecida a la siguiente imagen.

Luego de esto reiniciamos Arduino y debemos ver estas dos nuevas opciones en el menú de Herramientas.

Paso 2) Instalar YuboxNow

El proyecto YuboxNow se encuentra alojado en GitHub en el siguiente vínculo. Podemos usar la herramienta GIT para clonar el proyecto, o si eso suena complicado, también podemos descargarlo directamente de aquí, en formato zip.

Este archivo contiene una carpeta llamada yubox-now-master. Esta carpeta la colocamos dentro del directorio “libraries“, donde se instalan todas las demás bibliotecas de Arduino.

Si tenemos problemas con la ruta, podemos ir al menú de Preferencias, dentro del Arduino IDE y allí está la ruta exacta.

YuboxNow tiene sus propias dependencias, entre las cuales citamos las siguientes bibliotecas:

Información detallada de cómo instalar estas bibliotecas se encuentra aquí: https://github.com/yubox-node-org/yubox-now/

Una vez instaladas las dependencias y la librería YuboxNow, abrimos uno de los ejemplos que vienen con YuboxNow, desde el menú de “Archivo –> Ejemplos –> YuboxNow –> ybx-blinktest”.

Lo primero que haremos antes de compilar es ejecutar los plugins previamente instalados para poder cargar el directorio Web a la tarjeta. Primero ejecutamos el Yubox Assemble HTML Interface y luego el ESP32 Sketch Data Upload.

3) Soporte LoRaWAN Arduino

Podemos usar YuboxNow sin soporte para LoRaWAN, pero aquí mostraremos cómo añadir este soporte (y su correspondiente menú), puesto que muchas veces es algo engorroso configurar LoRaWAN desde el código. Con YuboxNow es mucho más sencillo, porque se hace a través de una interfaz Web. Para agregar el soporte LoRaWAN, es necesario instalar las siguientes bibliotecas adicionales en el Arduino IDE:

1. SX126x-Arduino, librería base para comunicación con los chips SX126x de Semtech. Se la puede instalar desde el gestor de bibliotecas de Arduino.
2. Beelan LoRaWAN, la biblioteca base que implementa soporte LoRaWAN para el chipset SX127x. Esta biblioteca puede instalarse de forma ordinaria usando el gestor de bibliotecas de Arduino IDE, y buscándola con el nombre indicado.
3. yubox-LoRaWAN, el adaptador que permite configurar el AppEUI y AppKey para el soporte OTAA de LoRaWAN. Esta librería implementa un nuevo menú llamado LoRaWAN en la interfaz Web de YuboxNow. La versión que utiliza la biblioteca Beelan-LoRaWAN está en la rama SX127x-Beelan-LoRaWAN, la cual puede descargarse como un archivo ZIP desde https://github.com/yubox-node-org/yubox-LoRaWAN/archive/refs/heads/master.zip.

Paso 4) Ejecutar programa de ejemplo

La biblioteca yubox-LoRaWAN contiene el ejemplo yubox-lorawan-helloworld que muestra la integración como parte de un programa completo.

Se debe estar seguro de haber seleccionado el board “Heltec WiFi LoRa 32 (V2)” como objetivo desde el Arduino IDE, de lo contrario, las definiciones de pines LoRa no estarán disponibles y fallará la compilación.

Construir el contenido html

Para esto ejecutamos el plugin Yubox Assemble HTML Interface. Lo que hace este plugin es tomar como base una plantilla, la cual se encuentra en la carpeta data-template y construir un directorio llamado data, que es el que realmente se transfiere al ESP32.

Compilar Arduino

Luego de compilar y transferir el código deberíamos ver una nueva red en el menú de red WiFi de nuestro computador. El nombre de la red comienza con la palabra YUBOX. Nos conectamos a esa red y visitamos la interfaz Web en la IP 192.168.4.1. Ya está casi todo listo!

Paso 5) Configuración LoRaWAN

Ahora sí, vamos a un navegador, visitamos al IP antes mencionada y nos encontramos con la interfaz de YuboxNow. El usuario por omisión es admin y la clave es yubox. Lo primero que debemos hacer al ingrsar es cambiar la clave.

Accederemos a una interfaz responsiva y slim desde donde configurar el acceso a WiFi, actualizar el firmware o configurar LoRaWAN será bastante sencilla… siiiiiiiiiii!

Les dejo mi pantalla de configuración de LoRaWAN. Los datos más importante son el EUI del dispositivo y la clave de aplicación. El EUI de aplicación puede quedar en 16 ceros como se ve en la figura, a menos que nuestra red LoRaWAN necesite algo diferente.

Extra) Compilación desde línea de comandos, para usuarios expertos

Algunos usuarios expertos prefieren compilar sin utilizar el Arduino IDE. Es por eso que YuboxNow trae la posibilidad de compilar desde la línea de comandos. Para compilar ejecutamos el comando make con las siguientes opciones.

make ARDUINO_INSTALL=~/arduino-1.8.15 YF=~/Arduino/libraries/yubox-now-master ESP32_BOARD=heltec_wifi_lora_32_V2

La opción ARDUINO_INSTALL debe apuntar al directorio donde se encuentra instalado Arduino en nuestro sistema.

Para transferir nuestro sketch ejecutamos nuevamente el comando make, pero con la opción fullupload

make fullupload

Este comando asume que nuestro dispositivo se encuentra conectado al puerto USB llamado /dev/ttyUSB0, pero se lo puede cambiar la ruta si agregamos el parámetro SERIALPORT=ruta

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El problema fue que todos los proveedores de pronósticos de tiempo como weather.com o forecast.io me proporcionaban datos alejados de la verdad. La razón: aparentemente el gradiente de temperatura en la zona es muy abrupto y el clima varía mucho de una ubicación a otra muy cercana (a menos de 1 km de distancia), dificultando extrapolar los datos de las estaciones de monitoreo cercanas o información de satélite… y bueno, el sitio de camping precisamente se encuentra en la ladera escarpada de una montaña.

La solución? Tomar la temperatura in-situ con algún hardware y luego reportarlo de algún modo en el sitio Web en cuestión. Una oportunidad ideal para jugar con el Arduino MKR1000, pues gracias a su soporte WIFI, nos permitirá transmitir data hacia el Internet, a través de algún router inalámbrico. Si el lector no consigue el Arduino MKR1000 también puede intentar con el Arduino UNO WiFi, les dejo vínculos a ambas opcioness.

Sensores de humedad, temperatura y presión

Haremos el proyecto muy sencillo, sólo con 2 sensores (de hecho así es como está instalado), que nos permitirán reportar 3 parámetros: temperatura, humedad y presión barométrica. La conexión es bastante simple como vemos en la siguiente figura.

BMP180 de Bosch

Lo encontramos en la parte de arriba de la imagen anterior. Este sensor es básicamente un sensor de presión barométrica muy fácil de usar, pues nos permite conexión con el MKR1000 a través de I2C.  El soporte I2C en Arduino es maravilloso, pues nos permite encadenar varios dispositivos (como sensores) al mismo cableado I2C. En este caso sólo usaremos UN dispositivo (el BMP180), pero podríamos añadir más con poca modificación. En todo caso lo único que necesitamos conectar es dos cables de data, marcados como SCL (el reloj) y SDA (la data), además de la referencia de GROUND. El SCL en el MKR1000 es el pin D12 y el SDA corresponde al pin D11.

DHT11 (o DHT22)

Un sensor de temperatura y humedad. Económico y fácil de usar. En la figura anterior lo encontramos en la parte inferior.

Weather Underground (wunderground.com)

Weather Underground es una plataforma comunitaria de reporte del clima, disponible online, que nos permitirá reportar las condiciones climáticas a la nube. Actualmente cuenta con más de 250,000 estaciones conectadas… una locura!… También nos provee un API, llamado PWS, que hace posible que existan plugins para sitios Web, así como apps para tablets o smartphones.

La documentación del API que usaremos en este proyecto lo encontramos acá http://wiki.wunderground.com/index.php/PWS_-_Upload_Protocol

Para usar esta plataforma debemos registrar un usuario (es grátis) y crear una estación meteorológica para comenzar a reportar. Se nos asignará un identificador de la estación meteorológica creada, así como una clave, para usar desde las invocaciones al API.

El código Arduino

Para facilitar la cosa he creado un repositorio en GitHub. http://www.github.com/elandivar/huigra

No voy a explicar todo el código porque es bastante simple, pero hay unas líneas a las que les dedicaré una corta explicación y es la función sendSample del archivo https://github.com/elandivar/huigra/blob/master/huigrastation.ino

P.D. Mención especial a AsiriLabs, que nos proporcionó los componentes necesarios para la construcción de este prototipo.

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