Red sensores multiservicio LPWAN, LoRa, LoRaWAN, TTN y MQTT

Abstract

En aquest treball, es proposarà i estudiarà una solució per a les xarxes de sensors d'àrea estesa (LPWAN), les quals, es caracteritzen per emissions espontànies de poques dades (no transmeten ni imatges, ni àudio, ni vídeo). Primer, s'estudiaran i compararan les diferents tecnologies LPWAN, es continuarà aprofundint en la tecnologia LoRa/*LoRaWAN, es veurà les seves característiques i la infraestructura necessària. Segon, s'espera dissenyar una xarxa que, suport múltiples serveis o clients, per la qual cosa es pensarà en protocols de xarxa lleugers i per subscripció estil Message Queuing Telemetry Transport (MQTT). Per tant, s'estudiaran aquests protocols i s'aprofundirà en ells. Tercer, es desenvoluparà un prototip de xarxa, basada en un sensor, que explotarà gateway LoRaWAN de dos tipus: d'una xarxa pública com The Things Network (TTN) i gateway privades. A més, la xarxa suportarà, almenys, quatre serveis mitjançant protocols estil MQTT. Amb tot això, es comprovarà, validarà i mesurarà, els diferents paràmetres de comunicació en aquesta mena de xarxes. Quart, es dissenyarà la solució teòrica d'una xarxa de sensors, en un entorn real, tenint en compte diversos serveis, com poden ser, comptadors d'aigua, gestió d'enllumenat públic, vigilància d'ompliment i crema de contenidors d'escombraries... Tot això, en la zona sud-oest de la ciutat de Saragossa. Finalment, s'obtindran les conclusions del disseny i els protocols utilitzats, es valoraran els punts forts i febles d'aquesta mena de xarxes i es proposaran possibles millores futures.

En este trabajo, se propondrá y estudiará una solución para las redes de sensores de área extendida (LPWAN), las cuales, se caracterizan por emisiones espontáneas de pocos datos (no transmiten ni imágenes, ni audio, ni video). Primero, se estudiarán y compararán las distintas tecnologías LPWAN, se continuará profundizando en la tecnología LoRa/LoRaWAN, se verá sus características y la infraestructura necesaria. Segundo, se espera diseñar una red que, soporte múltiples servicios o clientes, por lo que se pensará en protocolos de red ligeros y por suscripción estilo Message Queuing Telemetry Transport (MQTT). Por lo tanto, se estudiarán estos protocolos y se profundizará en ellos. Tercero, se desarrollará un prototipo de red, basada en un sensor, que explotará gateway LoRaWAN de dos tipos: de una red pública como The Things Network (TTN) y gateway privadas. Además, la red soportará, al menos, cuatro servicios mediante protocolos estilo MQTT. Con todo esto, se comprobará, validará y medirá, los distintos parámetros de comunicación en este tipo de redes. Cuarto, se diseñará la solución teórica de una red de sensores, en un entorno real, teniendo en cuenta varios servicios, como pueden ser, contadores de agua, gestión de alumbrado público, vigilancia de llenado y quema de contenedores de basura... Todo ello, en la zona suroeste de la ciudad de Zaragoza. Por último, se obtendrán las conclusiones del diseño y los protocolos utilizados, se valorarán los puntos fuertes y débiles de este tipo de redes y se propondrán posibles mejoras futuras.

In this project, we will propose and study a solution for wide area sensor networks (LPWAN), which are characterised by spontaneous emissions of little data (they do not transmit images, audio or video). First, the different LPWAN technologies will be studied and purchased, the LoRa and LoRaWAN technologies will be further explored, their characteristics and the necessary infrastructure will be discussed. Second, it is expected that this network will support multiple services or clients, so we will think about lightweight and subscription-based network protocols such as Message Queuing Telemetry Transport (MQTT). Therefore, these protocols will be studied and further developed. Third, a prototype of a network will be developed, based on a sensor that will exploit LoRaWAN gateways of two types: a public network such as The Things Network (TTN) and private gateways. In addition, the network will support at least four services via MQTT-style protocols. With all this, the different communication parameters in this type of networks will be tested, validated and measured. Fourth, the theoretical solution of a sensor network will be designed in a real environment, taking into account various services, such as water meters, street lighting management, monitoring of filling and burning of rubbish containers... All this, in the southwest area of the city of Zaragoza. Finally, conclusions will be drawn from the design and protocols used, the strengths and weaknesses of this type of network will be assessed and possible future improvements will be proposed.