SISTEMA MANTENIMIENTO PREVENTIVO – IOT PARA FERROCARRILES
El desarrollo de este proyecto consiste en la realización de un estudio de las nuevas aplicaciones que ofrece la capacidad de conectividad entre diferentes dispositivos aplicado al transporte por ferrocarril.
Para llevar a cabo este trabajo se observan los diferentes tipos de redes y protocolos de comunicación especializados en el internet de las cosas, y algunos de los materiales necesarios para desarrollar estas aplicaciones.
Se centra el trabajo en las opciones aplicables a un tipo de red denominado LoRa /LoRaWAN perteneciente al campo de las redes LPWAN, explicando su funcionamiento al inicio y continuando con el desarrollo de una solución aplicada al sector ferroviario aplicando estas nuevas tecnologías y teniendo de referencia los métodos de auscultación de la geometría de vía que existen en la actualidad.
Búsqueda de información
Se comienza el estudio aprendiendo las diferentes tecnologías que engloban el llamado internet de las cosas y su definición.
El internet de las cosas implica la conexión de diferentes dispositivos, normalmente conectados de forma inalámbrica, dentro de un tipo de red y siguiendo una serie de protocolos de comunicación. Esta conexión de dispositivos puede permitir la recopilación de información a través de sensores, comunicar esta información, pudiendo ser ubicada en zonas remotas de difícil acceso y posteriormente tratarlos e interpretarlos mediante una lógica para obtener diferentes soluciones.
Dentro de este nuevo paradigma se engloban las denominadas en inglés “Smartcities” que comprenden la recopilación de información a través de sensores conectados a una red inalámbrica e interpretados mediante una lógica creada por el usuario, según el ámbito de aplicación para conocer mejor el funcionamiento de la ciudad en tiempo real.
De esta forma poder tomar mejores decisiones en base a datos y reducir las incertidumbres por suposiciones subjetivas en la creación de planteamientos.
Ejemplos de esta aplicación puede ser la optimización de alumbrado público, la optimización de la recolección de basuras, la gestión más eficiente de las redes de abastecimiento, el control o gestión de los estacionamientos públicos, medir la calidad del transporte público o conocer la calidad en tiempo real de la polución y ruidos generados en un determinado entorno de la ciudad.
Aplicación al sector ferroviario
El sector ferroviario es un pilar importante en las infraestructuras de nuestro país, y está caracterizado porque engloba la conexión mediante trazados de vía entre diferentes puntos localizados en el territorio.
La localización de estas vías se puede encontrar en puntos donde la cercanía a núcleos urbanos y por lo tanto la disponibilidad de operarios para gestionar el control y mantenimiento se vea condicionada por los costes de desplazamiento hasta los diferentes puntos del entramado ferroviario.
Una forma de abaratar estos costes de mantenimiento, así como prevenir posibles averías, se puede realizar mediante el empleo de sensores conectados de forma inalámbrica a una red de comunicación que permita el conocimiento en tiempo real en la ubicación necesaria.
De este tipo de necesidades que también existen en otros ámbitos como por ejemplo en la agricultura, surgen las redes de comunicación que veremos a continuación.
Principales redes de comunicación para internet de las cosas
Algunas de las redes de comunicación inalámbrica más conocidas por todos, son por ejemplo las de conectividad celular que van desde el 2G al 4G y la próxima generación 5G, o también las redes WiFi. Este tipo de redes permiten una gran capacidad de transmisión de datos y además también a larga distancia, pero ya empiezan a presentar problemas de cobertura en diferentes puntos y lo más importante, al tener que transmitir tal tamaño de datos, consumen mucha energía. Lo que las hace que los dispositivos conectados a estas redes tengan que disponer de conexiones a la red continua.
Otras tecnologías inalámbricas muy conocidas y que fueron los pilares para el desarrollo de las redes de IoT, son las de tipo ZigBee, 6LowPAN o Z-Wave, las cuales tienen muy corto alcance y hacen que se tengan que situar gran cantidad de repetidores para ofrecer suficientes coberturas.
Dentro de estas tecnologías de corto alcance se puede establecer las que usan dispositivos celulares tipo Bluetooth o las empleadas en muchas tarjetas o etiquetas para aplicaciones de stock en ámbitos logísticos como RFID o las incorporadas en tarjetas denominadas sin contacto, que ofrecen por ejemplo el pago por tarjeta de forma inalámbrica como las NFC.
También surgieron una adaptación de las redes Bluetooth de bajo consumo denominada BLE que significa red bluetooth de baja energía. Estas nos pueden servir para creación de aplicaciones de localización indoor mediante balizas y los conocidos iBeacons.
Pero como ya se ha mencionado son redes de corto alcance y un despliega a nivel de la infraestructura del ferrocarril implicaría un gran coste en repetidores.
A pesar de ello, pueden ser muy útiles para control en obra de por ejemplo la verificación de los carriles en obra mediante etiquetas RFID, donde se almacene la información del carril, o por ejemplo en los aparatos de vías y asignadas a una serie de coordenadas de colocación sincronizadas con el modelo BIM del diseño de la infraestructura.
De tal forma que el operario o jefe de obra en la ubicación de recepción del material sepa mediante un lector RFID y el escaneo de la etiqueta el cupón donde debe ser colocada.
Opciones de aplicación hay múltiples, pero si se quería permitir el control y la gestión de forma remota y con un bajo coste de energía para poder prolongar la duración de los dispositivos conectados de forma inalámbrica, sin tener que cambiar sus baterías, era necesario la creación de unos nuevos tipos de redes.
Estas nuevas redes fueron las precursoras de lo que en la actualidad han popularizado como internet de las cosas. Son redes que permiten un largo alcance, con bajo consumo y además permiten incorporar dispositivos de un coste muy económico.
Son las denominadas LPWAN y más conocidas en el sector por LoRa/LoRaWAN y Sigfox.
Este tipo de redes permiten una gran penetración en los edificios y algunos de los múltiples usos que se empezaron a dar fueron la colocación en las alarmas de seguridad mediante estos protocolos para tratar de reducir la inhibición de su señal, esto lo realizó Sigfox en nuestro país mediante su cliente Securitas Direct.
A continuación, más adelante veremos brevemente la diferencia entre estas dos redes y nos centraremos en la red LoRa/LoraWAN por sus beneficios frente a Sigfox y seleccionaré LoRa para este estudio por sus beneficios actuales.
Hay que tener en cuenta también otras redes creadas tipo LTE/4G que se han adaptado al internet de las cosas con CATM o CATM1 y CAT NB/NB-IoT, las cuales son los retos a los que se están viendo sometidos las tradicionales compañías telefónicas para ofrecer una solución a las redes aplicables a internet de las cosas.
Estas redes permiten también gran capacidad de transmisión de datos y bajo consumo de energía, destacando el ancho mayor de banda que LoRa o Sigfox.
Comparativa entre Sigfox y LoRa
Estas dos redes de comunicación son en la actualidad las más utilizadas para desarrollar aplicaciones de internet de las cosas. Existen variantes en el mercado, pero la mayoría se basan en ellas.
La gran diferencia entre ambas es que Sigfox pertenece toda la red a una empresa privada francesa, en España la gestiona Cellnex y lo que han hecho ha sido instalar diferentes repetidores que a partir de ahora los denominaremos gateways, a lo largo del territorio, ofreciendo una cobertura.
Para conectarte a esta red tienes que contratar una tarifa y te permite acceder a conectar tus dispositivos.
En contra partida, LoRa/LoRaWAN han empleado otra estrategia de negocio que consiste en que ellos te facilitan toda la información y las certificaciones necesarias para conectarte a una red que es entre comilla Open Source, y digo entre comillas porque todos los dispositivos que se conectan a esta red tienen que ser certificados por esta compañía.
La ventaja es que no tienes que estar suscrito a una tarifa, tu mismo puedes instalar tu propia Gateway para dar cobertura a los puntos donde se encuentren tus dispositivos, puntos que a partir de ahora denominaremos nodos.
Estos nodos pueden transmitir la información recopilada por sus sensores a estas gateways y desde ellas y mediante un servidor conectado a la red que desees, pudiendo ser internet o una red interna, aplicar la lógica de tu aplicación y gestionar los datos recibidos, así como enviar información si se desea a los nodos, aunque normalmente la única información enviada es de verificación de que ha llegado la trama, o los mensajes.
Llegados a este punto es posible que te preguntes de que forma se transmite esta información de forma inalámbrica, pues la respuesta es que ambas se transmiten mediante radiofrecuencia RF, y que se operan en las frecuencias libres ISM que tiene cada país o conjunto de países.
Para todo el ámbito europeo se puede operar en las frecuencias de 863-870 MHZ y se pueden usar 8 canales que se eligieron arbitrariamente según el UN-111 vigente en el BOE-A-2013-4845 de España. La fecha de esta publicación es importante porque fue en el 2010 cuando se crearon los primeros chips por Cycleo que permitía la red física de Lora y que fue adquirido más tarde por Semtech, y por lo tanto lo que se denomina LoRaWAN es una especificación de esta red LoRa propuesta por una alianza llamada LoRa Alliance que se creó en 2015 y ofrece una capa MAC basada en la modulación LoRa.
En España se puede operar con estas frecuencias usando un ancho de banda de 0,3MHZ por canal, pero en otros países como por ejemplo USA, AUSTRALIA, SINGAPUR, CANADÁ o ISRAEL usan la banda ISM de 902-928 MHZ lo que les permite también usar 13 canales y aplicarlo con un ancho de banda de 2,16MHZ por cada canal.
Lo que se traduce en mayor capacidad de transferencia de datos con respecto a España.
Aún así, sigue siendo una buena elección el escoger este tipo de red en nuestro ámbito de aplicación para el transporte ferroviario en este país.
Entrando en detalle en LoRa a continuación.
LoRa/LoRaWAN en detalle
No todo es perfecto en esta red, también tiene sus luces y sombras coloquialmente hablando y presenta sus limitaciones, que son las siguientes:
-El ancho de banda es reducido, y puede comprender desde los 50bits/s hasta los 250Kbits/s con ciclos de trabajo de entre 0,1% y 10%. Esto hablando para nosotros ingenieros civiles significa que la máxima capacidad de información que vamos a poder transmitir está en estos rangos y que además va a estar limitada a unos ciclos de trabajo debido a su libertad de operación.
-Esto se traduce en tramas muy cortas, con payloads que pueden comprender desde los 12 bytes hasta los 222bytes. Esto traducido significa que los mensajes que vamos a poder enviar con la información o instrucciones son solo de estos tamaños.
-Puede existir pérdida de paquetes, por motivos de colisión o malas condiciones de transmisión.
-Una Gateway puede soportar centenares de nodos por cada estación, lo que permite cubrir una gran cobertura con muy poca inversión.
-Los dispositivos conectados o llamados nodos, consumen muy poca energía lo que ayuda mucho a prolongar la vida útil del dispositivo sin tener que sustituir sus baterías.
-Tiene la capacidad de trabajar en distintas bandas de frecuencias, según el país donde se sitúe el dispositivo y además la mayoría son libres y con numerosos canales.
-Permite comunicación unidireccional o bidireccional, esto quiere decir que los nodos pueden emitir y no recibir o que pueden emitir y recibir, para por ejemplo verificar la comunicación entre nodo y Gateway, o verificar la llegada de la trama.
-Tiene una gran capacidad de alcance pudiendo llegar hasta los 10km de distancia con visibilidad directa e incluso mucho más, eso sí, limitando el tamaño de los datos transferidos.
-Además, tiene muy buena penetración en el interior de edificios, lo que lo hace ideal para recibir información del interior de una ubicación.
-Su coste es muy económico, crear y mantener una infraestructura de esta red resulta muy barata en comparación con otras tecnologías.
Por este motivo es por el que en la actualidad está liderando el mercado de las redes LPWAN.
La red LoRaWAN se suele diseñar con una tipología de estrella donde se sitúan la gateways que retransmiten las tramas recopiladas de los nodos a un servidor de red.
Las gateways se conectan a este servidor mediante una conexión IP mientras que la conexión entre los nodos y la Gateway se realiza mediante un enlace LoRa o FSK a nivel físico.
Y como ya se ha mencionado esta comunicación puede ser unidireccional o bidireccional.
Tipos o clases de nodos LoRaWAN
Apoyándonos de los datos obtenidos anteriormente y de la herramienta de cálculo Excel, realizamos los cálculos y correcciones necesarios para el posterior desarrollo de nuestra curva granulométrica:
Existen tres tipos y van a depender de la disposición en la que se encuentre el nodo y principalmente están muy relacionados con la forma en la que se quiere gestionar la energía que consume el nodo y también con la respuesta que se necesita por parte de éste a la hora de transmitir la información.
CLASE A: Permiten la comunicación bidireccional, pero están limitados a que sólo reciben datos que se denomina downlink, si previamente han enviado ellos un paquete, que se denomina uplink.
Esto es porque cada vez que el nodo envía un paquete o trama, se abren dos ventanas de recepción, y se abren de esta forma: La primera se abre un segundo después de la transmisión del nodo y la segunda venta se abre un segundo después de la primera, permitiendo recibir un paquete de vuelta de la Gateway con la información de verificación o datos adicionales de la aplicación que se denomina ACK.
Esto hace que sean los nodos que menos consumo de energía requieren porque solo se “despiertan” cuando necesitan enviar datos y se “duermen” cuando ya han realizado el proceso.
Son muy útiles en aplicaciones en las que la transferencia de datos vaya a ser muy puntual, del estilo de temperaturas del pH cada gran variación en el tiempo, o datos con muy poca variación.
(A modo de aclaración, para entenderlo yo personalmente los veo como alguien que está dormido en clase, se despierta, pregunta, la profesora responde y se vuelve a dormir hasta que le surge otra pregunta).
CLASE B: Este tipo de nodos tiene la capacidad de recibir datos (downlink) sin tener que haber enviado un paquete (uplink), es decir que la aplicación puede enviar datos al nodo de forma programada y este nodo enviar la información requerida.
Este proceso se realiza mediante el envío periódico de beacons por parte de la Gateway que sirve como una especie de tokens para sincronizar ambos dispositivos.
Este tipo de clases consume más energía que el anterior ya que la Gateway está “estimulando” continuamente al nodo, pero permite enviar tareas directamente al nodo. Sin tener que ser éste el que inicia el envío de datos.
(A modo de aclaración, para entenderlo yo personalmente los veo como un despertador que te está continuamente despertando cada cierto tiempo para que ejecutes una acción y se la envíes.¡)
CLASE C: Esta clase de nodos están continuamente escuchando, siempre en modo recepción y pueden recibir datos downlin, es decir desde la Gateway en cualquier momento, excepto cuando sean ellos los que envían la información uplink.
Las ventanas de recepción están siempre abiertas y activas, consumen mayor energía, pero tienen mejor respuesta.
(A modo de aclaración y siguiendo el símil anterior, son como el alumno que siempre está despierto prestando la máxima atención y responde al instante).
Ciberseguridad en la red LoRaWAN
Teniendo en cuenta los delitos cibernéticos que ocurren en internet, es importante tener estos factores en cuenta a la hora de diseñar la comunicación o la transmisión de datos para una red que va a recibir información de una infraestructura pública.
La red LoRaWAN incorpora varias capas de cifrado, con sus correspondientes claves, que hace uso de uno de los algoritmos denominados AES 128.
Este cifrado y sin entrar en muchos detalles ya que los protocolos de cifrado son bastante complejos y se escapan de nuestro ámbito de aplicación mencionar lo siguiente:
-Se garantiza una clave de 128 bits que garantiza la seguridad de la red.
-Se garantiza la sesión con cifrado de extremo a extremo.
-Y también a nivel de extremo a extremo utilizando OTAA.
Para entender mejor que significa cada nomenclatura es mejor consultar la documentación oficial, https://lora-alliance.org/lorawan-for-developers
En este estudio no se especifica ya que se remitiría a todas las explicaciones de la propia documentación.
En resumen, cada trama, contando la información obligatoria que debe enviar cada paquete permite hasta 222 bytes, para la banda de 868MHZ.
Si quieres conocer más detalles del proyecto puedes enviarme un email a info@mariobarrio.com y te contestaré en cuanto este disponible.
A continuación, te dejo unas conclusiones.
Descripción, recomendaciones y conclusiones
A continuación, la descripción de la invención, recomendaciones de aplicación y conclusiones finales mediante un posible ejemplo de aplicación en un cliente.
Este dispositivo consta de una carcasa estanca con factor de protección IP65 en la que se encuentra embebida una placa electrónica que dispone de sensor giroscopio, acelerómetro, magnetómetro los cuales permiten obtener mediciones en los movimientos y rotaciones producidos en los seis grados de libertad del carril, pudiéndose añadir de forma complementaría más sensores siendo recomendables los sensores de humedad y de señal GPS.
Un microcontrolador de aplicación específica, capaz de ejecutar una serie de órdenes grabadas en su memoria, compuesto de varios bloques funcionales que cumplen una tarea, en especial para este dispositivo que es conseguir un bajo consumo de energía de forma gradual mediante la gestión eficiente del resto de componentes, pudiendo por ejemplo apagar más subsistemas del microcontrolador hasta requerir sólo el mínimo necesario para activar los circuitos, también se puede establecer un modo de máxima eficiencia energética agregando modos operativos especiales que por separado pueden administrar la gestión de la energía al núcleo del dispositivo y sus diferentes periféricos.
Esta gestión de la energía permite aumentar la autonomía del dispositivo al reducir su consumo.
La fuente de alimentación se puede emplear baterías planas de ion-litio o las resultantes de mejoras según avance el estado de la técnica.
También se pueden emplear métodos de recolección de energía combinados con supercondensadores para aumentar la autonomía del dispositivo, según las necesidades requeridas del usuario.
La parte de comunicación inalámbrica y transmisión de los datos recogidos mediante los sensores se ejecuta con el empleo de un transceptor de radio. Dependiendo de la red de comunicación deseado por el usuario que vaya a utilizar el dispositivo, se puede adaptar a su requerimiento, siendo algunas de las tecnologías más conocidas en la actualidad: SigFox, LPWAN, NB IoT, WiFi basado en estándar 802.11n, BLE, basado en estándar Bluetooth 4.2, ZigBee, Thread, basado en IEEE802.15.4 y 6LowPAN y telefonía móvil basado enGSM/GPRS/EDGE(2G)/UMTS/HSPA(3G), LTE(4G) Y 5G.
Recomendando por mí (Mario Barrio) el uso de la red LoRa y sus correspondientes módulos, gracias a su capacidad de adaptación para dispositivos de bajo consumo de alimentación, que operen en redes de alcance local, regional, nacionales o globales, su capacidad de establecer conexiones bidireccionales seguras, largo alcance de comunicación, bajas velocidades de datos, baja frecuencia de transmisión y libertad de licencia de banda ISM, respetando las regulaciones que limitan los niveles de potencia transmitida, pudiendo usar las diferentes frecuencias permitidas y adaptándose según el país donde se encuentre el dispositivo, siendo por ejemplo la banda usada en Europa de 863-870 MHz.
Una antena que permite la parte integral de la comunicación inalámbrica, la selección y diseño dependen de la red a la que el usuario quiera conectar el dispositivo, pudiendo ser integrada o externa mediante el uso de un orificio en la caja estanca y sus correspondientes conectores estancos.
La frecuencia escogida para la antena depende del país de aplicación del dispositivo siendo por ejemplo la escogida recomendada para el ámbito en Europa de 868MHz.
La selección de la antena se realiza según la aplicación y en función del tipo de red seleccionada para establecer la comunicación, siendo por ejemplo recomendada por el inventor la selección del tipo LoRa 868 en territorio europeo.
Las dimensiones de la antena serán tales que no interfieran con la movilidad del vehículo rodante, por lo que se escogerá en función de las dimensiones de la sección del carril donde se disponga el dispositivo y los requisitos mencionados con anterioridad.
Hasta este punto se han descrito los componentes principales que emplea el dispositivo para realizar su función de recopilación de información y transmisión inalámbrica de la posición del carril.
Esta recopilación de datos permite mejorar la información para realizar las labores de control de seguridad y mantenimiento preventivo de la vía.
A continuación, se detalla la forma de la carcasa de protección siendo esta variable en función de los sensores que el usuario quiera añadir y la selección de la antena.
La carcasa es de forma rectangular con unas dimensiones mínimas recomendadas comprendidas entre 10,2 cm de largo y 10,2 cm de alto y 5,5 cm de ancho, pudiéndose ampliar en función de las necesidades del usuario, siempre y cuando no afecte al plano de rodadura o a las labores de mantenimiento de la vía. Los perfiles serán redondeados para evitar posibles daños durante su manipulación, y se permite establecer una inclinación en la parte superior de la carcasa, siendo la recomendada. por el inventor del 1% para facilitar la evacuación del agua o de la nieve.
Se recomienda la fabricación mediante polímero ABS y de color oscuro.
La adhesión al carril podrá establecerse en cualquier plano del carril, evitando siempre los que puedan interferir con el plano de rodadura y siendo recomendable su colación en el alma del carril mediante una membrana flexible de 0,5 cm de material polimérico que permita el aislamiento eléctrico y de las mismas dimensiones que la carcasa.
También puede ser colocado mediante perforación al carril y u otros elementos de sustentación, aunque el inventor desaconseja estas posibles alternativas.
Cada dispositivo se situará a lo largo de la dirección longitudinal de la vía de la forma indicada con anterioridad y con la separación entre dispositivos que el usuario desee en función de la precisión del carril que requiera, siendo esta distancia de separación entre dispositivos 30,5m recomendada por el inventor.
Si quieres conocer más sobre este dispositivo que estoy desarrollando ponte en contacto conmigo enviando un email a la siguiente dirección: info@mariobarrio.com
