Documento Técnico: Implementación de las Pruebas al Sistema y Protocolos de Comunicación Inalámbrica de las Estaciones AIoT (Luminarias Inteligentes)

Autores

PhD. Miguel Enrique Iglesias Martínez. Director de transferencia de conocimiento y tecnología del Proyecto Hub Ambiental del Caribe – ENERGESIS.

Esp. Carlos Eduardo Cabas Meriño. Asesor del Proyecto Hub Ambiental del Caribe – ENERGESIS.

PhD. Carlos Arturo Robles Algarín. Docente tiempo completo – Universidad del Magdalena.

PhD. Luis Leonardo Camargo Ariza. Docente tiempo completo – Universidad del Magdalena.

Revisado por:

PhD. John Alexander Taborda Giraldo. Director del Proyecto Hub Ambiental del Caribe – Universidad del Magdalena.

Esp. María José Castillo Viana. Apoyo territorial del Proyecto Hub Ambiental del Caribe – Universidad del Magdalena.

📌 Edición Preprint – 27 de febrero de 2025 Este documento ha sido publicado en formato preprint como parte de la iniciativa de Ciencia Abierta del Hub Ambiental del Caribe.

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📍 Publicación desarrollada por la Universidad del Magdalena en el marco del proyecto financiado por el Fondo CTeI del Sistema General de Regalías, identificado con el BPIN 2023000100072 – HUB AMBIENTAL DEL CARIBE “Implementación de una plataforma de datos abiertos basada en AIoT para el análisis y gestión de riesgos ambientales y climáticos en el corredor minero de los municipios La Jagua de Ibirico, Albania, Algarrobo”.

📌 Más información sobre esta licencia en:

🔗 https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.es

📧 Contacto: hac@unimagdalena.edu.co

🌍 Web: https://hubambientaldelcaribe.co/

📍 Santa Marta, Colombia – 2025

Historial de versiones

Versión	Fecha	Acción (C, M, F)	Resumen de cambios
1.0	25/04/2024	C	Se crea el documento técnico, identificando las variables estratégicas para el monitoreo, los criterios de selección de las estaciones tenidos en cuenta, la definición de la localización de las estaciones, el contexto de los municipios impactados y los instrumentos para el análisis de riesgos ambientales y climáticos.
2.0	25/05/2024	M	Se actualizan las tablas con las posibles ubicaciones de las estaciones AIoT (luminarias inteligentes) identificadas en cada una de las salidas de campo desarrolladas por la Universidad del Magdalena. Así mismo, se definen la metodología para la selección de la ubicación de las estaciones, el cálculo del riesgo ambiental y el riesgo climático de los municipios objeto de estudio; presentándose avances en la validación, priorización y ponderación de variables para el cálculo del riesgo ambiental debido a la actividad minera.
3.0	25/06/2024	M	Se actualiza la tabla con las posibles ubicaciones de las estaciones AIoT (luminarias inteligentes) en el municipio de la Jagua de Ibirico.
4.0	25/07/2024	F	Se actualiza el ítem análisis de contexto de los municipios, así como el ítem criterios de la selección de estaciones AIoT y definición de la localización especifica de las estaciones AIoT, en la cual se define la metodología multicriterio aplicada para cada municipio de acuerdo a su contexto y se muestra la localización de las 90 estaciones AIoT distribuidas en los municipios de Albania, Algarrobo y La Jagua de Ibirico.

C = Creación, M = Modificación, F = Finalización 

Para las acciones Creación y Modificación del documento se diligencia la fecha de la iniciación de la acción.

Generalidades de los sistemas de comunicación inalámbrica

Una red inalámbrica es una conexión que se da a través de ondas electromagnéticas, es decir, facilitando el intercambio de información sin necesidad de un medio físico, en este caso, el cableado estructurado.

Así, los dispositivos remotos se conectan con facilidad siempre y cuando se encuentren dentro de la misma área de la red.

Su origen se remonta a hace 25 años, en 1997, cuando se empezó a probar este patrón. Desde entonces, conexiones wifi o por Bluetooth son la representación más precisa de esta tecnología.

Características de las redes inalámbricas

Dependiendo del medio, las redes inalámbricas tendrán una característica u otra según el rango de frecuencia utilizado para transmitir. La transmisión puede variar entre las que se nombran a continuación:

• Ondas de radio: esta transmisión utiliza una frecuencia de ondas electromagnéticas omnidireccionales. Además, no necesita de antenas parabólicas.
• Microondas por satélite: Enlaza dos o más estaciones terrestres (estaciones base). En este caso, el satélite recibe la señal en una banda de frecuencia, la amplifica y la retransmite en otra banda.
• Infrarrojos: enlaza transmisores y receptores que modulan la luz infrarroja no coherente. Deben estar alineados directamente o con una reflexión en una superficie.
• Microondas terrestres: utilizada en antenas parabólicas, tiene una cobertura de kilómetros, pero con el inconveniente de que el emisor y el receptor deben estar perfectamente alineados.

Tipos de redes inalámbricas

Existen diferentes tipos de redes inalámbricas, los cuales varían según su alcance de cobertura. A continuación, se exponen cuáles son:

Wireless Personal Area Network (WPAN)

La red inalámbrica de área personal, son redes que cubren distancias de hasta 10 metros. Estas se emplean comúnmente para que un usuario pueda conectar sus dispositivos de uso personal a una red.

Wireless Local Area Network (WLAN)

Una red inalámbrica de área local es un tipo de red que cubre distancias de hasta 100 metros. Son implementadas bajo protocolos wifi o bluetooth, y utilizadas para establecer una red de menor coste, evitando los de una conexión cableada.

Wireless Metropolitan Area Network (WMAN)

La red inalámbrica de área metropolitana es una red de la que su cobertura comúnmente puede abarcar unos 50 Km. Como puede intuirse, estas redes se establecen para dar cobertura dentro de un área metropolitana -un grupo de edificios céntricos, por ejemplo-, o una cualquier zona extensa (zonas rurales o un campus universitario).

Wireless Wide Area Network (WWAN)

Una red inalámbrica de área extensa ofrece una de cobertura más extensa que todas las redes inalámbricas. Las empresas de telefonía móvil se sirven de este tipo de redes para poder ofrecer sus servicios, y establecer conexiones entre sus usuarios.

Sistemas inalámbricos

Existen diferentes tecnologías inalámbricas capaces de generar redes inalámbricas para conectar dispositivos de todo tipo. A continuación, se describen algunos de los tipos de tecnologías inalámbricas más importantes:

Wi-Fi

Es una red que permite la interconexión inalámbrica con un adaptador inalámbrico y un router. El Wi-Fi es especialmente popular en áreas domésticas para conectar varios dispositivos a internet, como en las instalaciones de fibra óptica.

Wi-max

Similar al funcionamiento de la red Wi-fi, con transmisión de ondas microondas capaz de alcanzar una cobertura de hasta 70km. Además, permite la recepción de datos por microondas y retransmisión por ondas de radio.

Bluetooth

Hace posible transmitir datos y voz entre distintos dispositivos (por ejemplo, de teléfono a teléfono) mediante un enlace por radiofrecuencia. Cuenta con poca cobertura de emisión, por lo que sólo se pueden conectar dispositivos que se encuentren dentro del rango de alcance de la red Bluetooth.

Bluetooth Low Energy (BLE)

Esta tecnología está destinada a aplicaciones novedosas, y a diferencia del Bluetooth clásico, esta consume mucha menos energía. Incluso, permite desplegar redes inalámbricas de área personal, por lo que se pueden vincular dispositivos sin cables de por medio.

Li-Fi

Es una nueva conexión inalámbrica que utiliza bombillas LED insertadas en un decodificador. Mediante estas, se establece una conexión transmitida a través de luz visible. Cabe destacar que puede llegar a ser hasta 100 veces más eficiente que una red Wi-Fi.

Redes inalámbricas de telefonía

Engloba las tecnologías de comunicación inalámbrica utilizadas por los teléfonos celulares modernos. Las más más utilizadas en la actualidad son:

• Red 4G: Es utilizada para transmitir datos y navegar por internet a alta velocidad, desde la comodidad de un dispositivo portátil, o móvil.
• Red 5G: Esta generación de tecnología inalámbrica precisa tres gamas de frecuencias fundamentales: por debajo de 1 GHz, entre 1 y 6 GHz y por encima de 6 GHz. Además, pretende establecer un estándar de transferencia de datos de hasta 1 Gbps.

Tecnología inalámbrica de automatización

Las dos tecnologías inalámbricas de automatización más usadas son:

• Zigbee: Es un sistema de comunicación inalámbrica enfocado en la comunicación de dispositivos con una baja tasa de datos, lo que ayuda a disminuir el consumo eléctrico.
• Z-wave: Se trata de una red que utiliza ondas de radio. Esta permite el controlar inalámbricamente electrodomésticos y otros dispositivos.

Ventajas y desventajas de una red inalámbrica

Gracias a las redes inalámbricas de corto, mediano y gran alcance, se brindan mejores funciones al uso de dispositivos inteligentes. No obstante, existen algunos puntos desfavorables respecto a estas tecnologías que a continuación se examinan:

Ventajas

Entre los beneficios más importantes del uso de redes inalámbricas, destacan los siguientes:

• Dado que las redes inalámbricas no utilizan medios cableados o físicos para establecer conexión entre dispositivos, se otorga mayor libertad a los equipos conectados a la red.
• Este tipo de redes no necesitan cableado ni grandes remodelaciones físicas de espacio, por lo que su instalación resulta mucho más rápida y económica que las típicas redes alámbricas.
• La mayoría de las tecnologías inalámbricas para redes como el Wi-Fi, permiten la conexión de un gran número de dispositivos móviles como teléfonos, tablets, impresoras y ordenadores.
• El mantenimiento de las redes inalámbricas es mucho más fácil y barato que en los casos de redes cableadas, ya que solo basta con supervisar los aparatos transmisores de señal.
• Son ideales para espacios en dónde la instalación de una red alámbrica convencional resulta sumamente complicado.

Desventajas

En cambio, existen algunas desventajas respecto a otros sistemas convencionales.

• Algunas redes inalámbricas pueden llegar a ser propensas a interferencias, lo que puede afectar la calidad de conexión.
• Al estar más expuestas a cualquiera que se sitúen dentro de su área de cobertura, existe un mayor riesgo para la seguridad de las personas que hacen uso de la red.
• Una de las principales desventajas de las redes inalámbricas vs las redes alámbricas, es que las primeras no logran superar la velocidad de transferencia de datos de las redes alámbricas. En este sentido, mientras que una red inalámbrica alcanza hasta 55 Mbps, las redes cableadas logran tasas de velocidad de hasta 100 Mbps.

Tecnología LoRa

La tecnología se desarrolló en Francia en el 2012 por Cycleo y adquirida posteriormente por Semtech que se encargaría de impulsarla. Usa un tipo de modulación de amplio espectro, ideal para tolerar el ruido y para que una señal realice caminos múltiples. Presenta un ancho de banda reducido, pero adaptado a las necesidades de los dispositivos que ayuda a conectar.

Seguramente has oído hablar de LoRa o LoRaWAN, por lo que conviene conocer la diferencia entre ambas. LoRa es la modulación que emplean los dispositivos para lograr una cobertura con baja potencia y representa la capa física de la red que dicta las frecuencias de trabajo con las que se obtienen largas distancias y muy bajo consumo.

LoRaWAN es el protocolo que dicta como se envían y reciben los paquetes de datos de sensores o otros componentes de la red y la forma de tratar esos paquetes.

Figura 1. Esquema de capas de los protocolos LoRA y LoRaWAN.

LoRa, combina un consumo energético bajo con un alcance efectivo largo (entre 10 y 20 kilómetros con visión directa y teniendo en cuenta las ondas de Fresnel). Además, facilita la conexión de dispositivos que intercambien pequeñas cantidades de datos a baja velocidad con un rango que va desde los 0.3kbps hasta los 50kbps.

LPWAN. Asimismo, define la arquitectura del sistema y posee tres clases de dispositivos:

• Clase A (menor potencia, dispositivos finales bidireccionales): Todo dispositivo de la red tiene que soportarla. Las comunicaciones siempre las inicio un dispositivo final y es completamente asíncrono. Cada transmisión uplink se envía en cualquier momento y le siguen dos ventanas de downlink, que generan la bidireccionalidad de la comunicación. Son dispositivos alimentados por batería.
• Clase B (dispositivos finales bidireccionales con latencia de descarga determinista): Se sincronizan a la red utilizando guías periódica y ping shots programados. Esto es lo que permite que se envíe un downlink con latencia determinista, que también puede programarse. Son dispositivos alimentados por batería.
• Clase C (menor latencia, dispositivos finales bidireccionales): Dispositivos que pueden estar alimentados siempre. Pueden escuchar de forma continua. Reducen la latencia durante el downlink manteniendo el receptor del dispositivo final abierto cuando no transmite. Así, el servidor de la red puede iniciar una descarga en cualquier momento.

Las frecuencias de funcionamiento varían dependiendo del país y suelen ser las bandas 433 MHz, 868 MHz y 915 MHz.

Figura 2. Arquitectura de Red LoRaWAN.

Características principales

Existen una serie de características que hacen de LoRa una tecnología especial y fundamental. Actualmente, la necesidad de crear redes IoT seguras, fiables y de largo alcance es cada vez mayor. Ante esta realidad, se convierte en una solución muy adecuada, todo gracias a las siguientes especificaciones:

Conexión de dispositivos

Un solo gateway permite conectar miles de dispositivos, una cifra que aumenta con cada nueva puerta que se añada. Así, se facilita la creación de una red barata, amplia y con un consumo energético bajo. Los aparatos ligados mandarán sus datos en tiempo real y durante largos periodos. Para ello, existen diferentes formas de cobertura LoRawan: redes privadas, redes de terceros y operadoras de dispositivos. Además, estas características ayudan a escalar la arquitectura.

Largo Alcance

Esta es una de las características más destacadas por las implicaciones que conlleva. La tecnología está diseñada para funcionar en ciudades y atravesar todo tipo de obstáculos. En presencia de numerosos edificios y construcciones, dispone de un alcance de tres kilómetros. Sin embargo, la capacidad aumenta a los 20 km en zonas abiertas.

Transmisión de datos baja

La velocidad de transmisión de datos es baja, pero no es importante para la mayoría de procesos. La información se envía desde miles de dispositivos de forma continuada. Pese a que la velocidad es de entre 0,3 y 50 Kbps, es suficiente para enfrentarse al volumen generado por la red.

Bajo consumo energético y coste

Permite mantener dispositivos con baterías pequeñas sin necesidad de recargarlos durante largos periodos. Esta característica reduce la intervención humana, así como las necesidades energéticas. No importa que la red se extienda a través de decenas de kilómetros, ya que estará optimizada desde un punto de vista energético. De este modo, es más sencillo escalarla sin incurrir en grandes costes.

Amplia variedad de dispositivos y aplicaciones

Los dispositivos que se pueden emplear son muy variados y dependen del objetivo de la red. Ayudan a adelantarse a problemas en ciernes y prevenirlos de manera adecuada. Algunos ejemplos son los sensores de humedad, temperatura o de conductividad eléctrica. Estas son sus principales aplicaciones:

• Smart cities.
• Industria 4.0
• Agricultura.
• Logística.
• Cadena de suministro.

Simulación de Cobertura

La propagación de LoRa en el paisaje urbano se puede simular utilizando el método O-FDTD a través de la caja de herramientas WaveBox para MATLAB. El método O-FDTD describe la propagación de ondas de campo eléctrico modificando el Modelo de Oscilador de Lorentz (LOM). De manera similar al LOM, que considera la oscilación de electrones ligados a átomos impulsados por un campo eléctrico incidente, el O-FDTD utiliza una malla de osciladores acoplados cuyo desplazamiento ortogonal se relaciona con la amplitud del campo eléctrico. Sin embargo, los osciladores de O-FDTD no son electrones sino portadores de campo eléctrico abstractos distribuidos uniformemente en el espacio, incluyendo el vacío. La caja de herramientas WaveBox ofrece funciones simples de diseño y permite importar datos de Google Maps directamente desde una imagen bitmap.

Primero, el mapa se convierte en un formato vectorial utilizando Inkscape. Usando la función de trazado de bitmap por umbral de brillo de Inkscape y una edición manual menor, el mapa de la ciudad se limpia de elementos como texto, iconos y carreteras, de modo que solo quedan las paredes de los edificios. Las paredes de los edificios se establecen (arbitrariamente) en azul y el espacio vacío en negro. Consideramos un mapa de 600 x 600 $m^2$ rodeado de márgenes de 0.60 m utilizados para las condiciones de frontera de capas perfectamente adaptadas (PML) requeridas por el algoritmo O-FDTD y exportamos el mapa final como un archivo bitmap *.png. El aire y las paredes de piedra fueron modelados en WaveBox usando índices de refracción. Los resultados obtenidos de la simulación se muestran en las Figuras 3 y 4 respectivamente.

Figura 3. Gráfica de la intensidad de señal recibida (RSSI) calculada en espacio libre, la decadencia de la potencia PFS en función de la distancia, para una señal LoRa de 868 MHz.

En la Figura 3 la sensibilidad del receptor estimada $PR_x = -124 dBm$ permite distancias máximas de cobertura de 45 km (azul) y 435 km (marrón) para ganancias del transmisor $GT_x$ de $0 dBm$ y $+20 dBm$, respectivamente.

Figura 4. Distribución teórica de la intensidad de señal recibida (RSSI) en espacio libre de una señal LoRa de 868 MHz en función de la distancia con una ganancia del transmisor de $GT_x = +20 dBm$. (a) Representación en 2D del RSSI en espacio libre en un radio de 300 m. (b) Histograma 2D de la combinación de RSSI y ocurrencias de distancia en el mapa de RSSI mostrado en (a). punteada vertical indica la ventana de observación espacial de 300 m utilizada en la representación del mapa de RSSI en (a).

Lineamientos de referencia para el desarrollo de las pruebas

Lineamientos definidos por la Agencia Nacional del Espectro – ANE

En el desarrollo de este proyecto, se utilizarán módulos LoRa para la transmisión de datos. Según la normativa vigente en Colombia, específicamente la resolución 711 de 2016 de la Agencia Nacional del Espectro (ANE), se establece el marco regulatorio para el uso de bandas de frecuencia de uso libre.

La resolución 711 de 2016 permite la utilización de las siguientes bandas de frecuencia para dispositivos de bajo poder y corto alcance:

• Banda 915 – 928 MHz: Esta banda es comúnmente utilizada para sistemas de comunicación LoRa debido a sus características de propagación y compatibilidad.
• Banda 433 MHz: Esta banda está permitida para aplicaciones que requieren transmisiones a corta distancia y bajo poder.

Sin permiso particular, mediante el uso de dispositivos de radiocomunicaciones, a estas bandas se les conoce internacionalmente como bandas ICM (Industrial, Científicas y Medicas)

Los siguientes artículos establecen la normatividad vigente para el uso de las bandas ICM:

• Artículo 4.1.1: Este artículo se refiere al establecimiento de bandas de frecuencias, límites de emisiones y condiciones técnicas y operativas para aplicaciones permitidas bajo la modalidad de uso libre dentro del territorio nacional, conforme a la Ley 1341 de 2009, modificado por la Ley 1978 de 2019.
• Artículo 4.1.2: Indica que la utilización del espectro radioeléctrico en las bandas y bajo las condiciones establecidas en el Anexo 1 de la resolución no requiere permiso de uso del espectro.
• Artículo 4.1.3: Para garantizar el uso eficiente de las bandas de frecuencias, los dispositivos deben funcionar de conformidad con los estándares técnicos de radiocomunicación establecidos por la Comisión de Regulación de Comunicaciones o contar con certificados de homologación.
• Parágrafo: Se especifica que los aparatos que funcionen bajo la modalidad de uso libre del espectro deben operar de manera que asegure que el público no esté expuesto a niveles de energía de radiofrecuencia que excedan las normas establecidas por la Agencia Nacional del Espectro.

De acuerdo con estos artículos, el uso de la banda ICM se ajusta a los requerimientos técnicos del proyecto Hub Ambiental del Caribe, por tanto, no se necesita realizar algún trámite administrativo para la autorización de uso en la banda 915 Mhz para la transmisión de los datos adquirido por los nodos AIoT hacia el Gateway.

ICM Permitidas

La Tabla 1 muestra las bandas de frecuencias designadas para aplicaciones industriales, científicas y médicas (ICM) presentadas en el anexo 1 según la normativa:

Tabla 1. Tabla de Bandas ICM Permitidas

Límite Inferior (MHz)	Límite Superior (MHz)
6.765	6.795
13.553	13.567
26.957	27.283
40.66	40.7
902	928
2400	2500
5725	5875
24000	24250
61000	61500
122000	123000
244000	246000

Condiciones de uso

Bajo Poder: De acuerdo con la normativa de la ANE, los dispositivos que operan en las bandas de uso libre, como 915-928 MHz y 433 MHz, deben limitar su potencia de transmisión. Esto quiere decir que la potencia radiada equivalente no debe exceder 1 vatios (30 dBm) para la banda de 915-928 MHz y 10 mili vatios (10 dBm) para la banda de 433 MHz. Estas restricciones de potencia están diseñadas para minimizar la interferencia con otros servicios y usuarios del espectro.

Corto Alcance o Corta Distancia: La normativa implica que los dispositivos que operan en estas bandas están destinados para comunicaciones de corto alcance, típicamente hasta unos pocos kilómetros, dependiendo del entorno. En áreas urbanas con muchas obstrucciones, el alcance puede ser menor, mientras que, en áreas rurales o despejadas, el alcance puede ser mayor.

Sustentación del Uso de las Bandas ICM según la Norma 105 de 2020

Definición de uso libre: De acuerdo con la Agencia Nacional del Espectro ANE, las bandas de uso libre son aquellos rangos del espectro radioeléctrico destinados para que el publico en generar.

Lineamientos definidos por ICONTEC

NTC 6691:2024 – Especificaciones de sistemas de telegestión

El objeto de esta norma es establecer especificaciones técnicas y operacionales mínimas para la implementación de los sistemas de telegestión de alumbrado público que sea confiable y que pueda contribuir a gestionar la operación, mantenimiento y la eficiencia energética de todo el sistema, en el marco del concepto de transformación digital de las ciudades. Con el fin de que sea empleada por los diferentes grupos de interés, tales como municipios, entidades gubernamentales o privadas, profesionales en el campo, empresas y proveedores, entre otros.

NTC 900:2011 – Reglas generales y especificaciones para el alumbrado público.

Establece los principios que deben ser tenidos en cuenta para la iluminación de carreteras interurbanas, vías de penetración o de circunvalación de las poblaciones, calles principales o secundarias, cruces, parques, glorietas, pasos superiores o inferiores.

AID-ISO-IEC 21823-1:2019 – Internet de las cosas (IoT). Interoperabilidad para los sistemas de IoT. Parte 1: Marco de trabajo

Este documento proporciona una descripción general de la interoperabilidad como se aplica a los sistemas de IoT y un marco de trabajo para la interoperabilidad de los sistemas de IoT. Este documento permite que los sistemas de IoT se construyan de tal manera que sus entidades sean capaces de intercambiar información y utilizarla mutuamente de forma eficiente. Asimismo, este documento permite la interoperabilidad puerto-a-puerto entre sistemas de IoT independientes. Este documento garantiza que todas las partes implicadas en la construcción y el uso de los sistemas IoT tengan un conocimiento común acerca de la interoperabilidad como se aplica a los sistemas de IoT y a las diferentes entidades que los constituyen.

NTC-ISO-IEC 30161-1:2020 – Internet de las cosas (IoT). Plataforma de intercambio de datos para servicios IoT. Parte 1: Requisitos generales y arquitectura

Este documento especifica los requisitos para una plataforma de intercambio de datos del Internet de las cosas (IoT) para diversos servicios en las áreas tecnológicas de: – los componentes de middleware de las redes de comunicación que permiten la coexistencia de servicios de IoT con servicios heredados; – el desempeño de los puntos finales en las redes de comunicación entre el IoT y los servicios heredados; – las funciones y funcionalidades específicas de IoT que permiten el despliegue eficiente de los servicios de IoT; – el marco y la infraestructura de las redes de comunicación de servicios del IoT; y – la guía de implementación de servicios de IoT para la plataforma de intercambio de datos de IoT.

GTC-ISO-IEC-TS 38505 – Tecnología de la información. Gobernanza de datos

Este documento proporciona una guía esencial para los miembros de los órganos de gobierno y gestión de las organizaciones, sobre el uso de la clasificación de datos como un medio para respaldar la política general de gobernanza de datos de la organización y los sistemas asociados. Establece importantes factores a considerar en el desarrollo y despliegue de un sistema de clasificación de datos.

Este documento proporciona orientación sobre la naturaleza y los mecanismos de gobernanza y dirección, así como sobre las relaciones entre ellos, en el contexto de la TI dentro de una organización. El propósito de este documento es proporcionar información sobre un marco y un modelo que puede ser utilizado para establecer los límites y las relaciones entre la gobernanza y la dirección del uso actual y futuro de las TI de una organización.

GTC 174:2008 – Protección contra las perturbaciones. Evaluación del riesgo de daños en las instalaciones de telecomunicaciones debido a las descargas del rayo

Da a conocer un método para la evaluación del riesgo de daños de los equipos en las instalaciones de telecomunicaciones y de la seguridad del personal en caso de sobretensiones y sobrecorrientes causadas por las descargas del rayo.

Pruebas a escala de laboratorio de los sistemas y protocolos de comunicación inalámbrica de estaciones AIoT

En el marco del desarrollo e implementación de estaciones AIoT, se han llevado a cabo exhaustivas pruebas de laboratorio para evaluar y validar el funcionamiento de los sistemas y protocolos de comunicación inalámbrica. Estas pruebas se centraron en dos tecnologías clave: LTE (Long Term Evolution) y WiFi, con el objetivo de garantizar una conectividad robusta y eficiente.

Objetivos de las pruebas

• Asegurar que las estaciones AIoT (luminarias inteligentes) puedan transmitir datos de manera confiable y continua a través de redes inalámbricas LTE y WiFi.
• Evaluar la capacidad de las estaciones AIoT (luminarias inteligentes) para integrar y enviar los datos de las variables estratégicas (ambientales y climáticas) a la nube, permitiendo un análisis de los datos y monitoreo de los resultados de las variables en tiempo real.

Metodología

1. Configuración de Hardware y Software:
   • Se desarrollaron tarjetas electrónicas con los módulos de los sensores que tendrán las estaciones AIoT equipadas con nodos de comunicación LTE y WiFi.
   • Se configuraron los dispositivos para que pudieran alternar entre ambas tecnologías según las condiciones de red.
2. Pruebas de Conectividad LTE:
   • Se realizaron pruebas de conectividad en diferentes condiciones de señal y con distintos operadores de telecomunicaciones.
   • Se midió la latencia, velocidad de transmisión de datos y la estabilidad de la conexión.
   • Se simuló un entorno de movilidad para evaluar el rendimiento durante el cambio de celdas.
3. Simulación de cobertura lora a escala de laboratorio en entorno urbano
   • La propagación de LoRa en el paisaje urbano se puede simular utilizando el método O-FDTD a través de la caja de herramientas WaveBox para MATLAB. El método O-FDTD describe la propagación de ondas de campo eléctrico modificando el Modelo de Oscilador de Lorentz (LOM).
4. Pruebas de Conectividad WiFi:
   • Se evaluó la conectividad en diferentes entornos, incluyendo espacios con alta densidad de dispositivos y áreas con interferencias.
   • Se midió la latencia, velocidad de transmisión de datos y la estabilidad de la conexión.
   • Se realizaron pruebas de roaming entre diferentes puntos de acceso WiFi.
5. Integración con la Nube:
   • Se configuró la tarjeta electrónica principal que incluye los módulos de los sensores AIoT para enviar datos a una plataforma en la nube utilizando protocolos seguros como MQTT (Message Queuing Telemetry Transport).
   • Se probaron diferentes tipos de variables estratégicas, tanto ambientales y climáticas, tal como se muestra en la Tabla 1 y se aseguró la integridad y seguridad de los datos durante la transmisión.
6. Pruebas de Carga y Escalabilidad:
   • Se evaluó la capacidad de la infraestructura en la nube para gestionar grandes volúmenes de datos y realizar análisis en tiempo real.

Tabla 2. Sensores probados y testeados mediante los protocolos de comunicación empleados para las estaciones AIoT.

Variable	Sensor Utilizado para la Captura de Datos	Descripción Técnica
PM10 y PM2,5	SPS30	– Concentración de masa Rango de Tamaño:<br />* PM1.0 -> 0.3 a 1.0 μm.<br />* PM2.5-> 0.3 a 2.5 μm.<br />* PM4-> 0.3 a 4.0 μm.<br />* PM10-> 0.3 a 10.0 μm.<br />- Intervalo de muestreo: – 1±0,04s.<br />- Funcionamiento: 24 h/día.<br />- Nivel de emisión acústica: 0,2 m/máx.<br />- Tensión de alimentación: VDD -0,3 5,5.<br />- Rango de temperatura de funcionamiento: -10-60 °C.<br />- Rango de humedad de funcionamiento: hasta un 95 %.
Ruido	PmodMIC3	– Entradas de audio por transformación con conversor A/D de 12 bits.<br />- Alimentación: (3,3V/5V).<br />- 1 MSPS de datos de frecuencia.<br />- PCB para diseños flexibles 1,1in × 0,8in (2,8 cm × 2,0 cm).<br />- Puerto Pmod de 6 patillas con interfaz SPI.
Vibraciones	Xtrinsic MMA8451Q 3-Axis, 14-bit/8-bit. Acelerómetro Digital	– Tensión de alimentación: 1,95 V a 3,6 V.<br />- Tensión de interfaz: 1,6 V a 3,6 V.<br />- ±2g/±4g/±8g escala completa seleccionable dinámicamente.<br />- Velocidades de datos de salida (ODR): 1,56 Hz a 800 Hz.<br />- 99 μg/√Hz de ruido.<br />- Salida digital de 14 y 8 bits.<br />- Interfaz de salida digital I2C (funciona a 2,25 MHz con pullup de 4,7 kΩ).
Temperatura	DFRobot SHT31	– Tensión de funcionamiento: 3,3~5V.<br />- Corriente de funcionamiento: < 1.5mA.<br />- Rango de detección de temperatura: -40℃~125℃.<br />- Precisión de Temperatura: ±0.2℃ a 0℃~90℃ (Típico).<br />- Comunicación: I2C.<br />- Longitud del cable: aproximadamente 1m.
Humedad relativa	DFRobot SHT31	– Tensión de funcionamiento: 3,3~5V.<br />- Corriente de funcionamiento: <1.5mA.<br />- Rango de detección de humedad: 0%RH~100%RH.<br />- Precisión de humedad: ±2%RH a 0%RH~100%RH (a 25℃).
Luminosidad	RCD-48	– Rango de tensión de entrada 9-60 V DC.<br />- Tensión de entrada máxima absoluta 65 V CC máx.<br />- Rango de tensión de la cadena LED de salida 2 V mín. / 56V máx.<br />- Precisión de la corriente de salida ±3% típ. / ±5% máx.<br />- Frecuencia de conmutación 50 kHz mín. / 1000kHz máx.<br />- Eficiencia a plena carga 96% típ.<br />- Control de atenuación PWM y control remoto de Encendido/Apagado.<br />- Rango de tensión de entrada 5V típ. / 10V máx.
CO2	SCD30	– Alta precisión: El SCD30 ofrece una precisión de ±30 ppm + 3% MV en un amplio rango de medición de CO2 de 400 ppm a 10.000 ppm.<br />- Sensores integrados: Además de CO2, el sensor también mide humedad y temperatura con alta precisión.<br />- Estabilidad a largo plazo: El principio de doble canal del módulo garantiza una excelente estabilidad a largo plazo, incluso en entornos desafiantes.<br />- Tamaño compacto: Su diseño compacto de factor de forma SMD facilita la integración en diversos dispositivos y aplicaciones.<br />- Bajo consumo de energía: El SCD30 opera con un bajo consumo de energía, lo que lo hace ideal para aplicaciones con batería. <br />- Interfaz versátil: El sensor ofrece interfaces de comunicación I2C y UART para una fácil integración con microcontroladores y sistemas embebidos.

Resultados

De manera general, las pruebas a escala de laboratorio de los sistemas y protocolos de comunicación inalámbrica a los sensores que hacen parte del prototipo de las estaciones AIoT (luminarias inteligentes) demostraron que el sistema de sensores puede operar de manera eficiente utilizando tanto la tecnología LTE como Wi-Fi, adaptándose a las condiciones de red para mantener una conectividad óptima, por tanto la selección final dependerá de las pruebas realizadas en los territorios impactados por el Proyecto HUB Ambiental del Caribe.

Por otro lado, es importante destacar que de acuerdo con las pruebas realizadas la integración de los datos capturados para cada una de las variables en la nube fue exitosa, permitiendo un monitoreo continuo y análisis avanzado en el comportamiento de estas.

A continuación se describen resultados específicos en cada uno de los aspectos evaluados.

• Conectividad LTE: Las estaciones mostraron una baja latencia y alta estabilidad incluso en condiciones de señal desfavorables. El handover entre celdas fue fluido, garantizando una transmisión de datos ininterrumpida.
• Conectividad Wi-Fi: En entornos de alta densidad y con interferencias, las estaciones mantuvieron una conexión estable. Las pruebas de roaming confirmaron que las estaciones pueden cambiar de puntos de acceso sin pérdida de datos.
• Simulación de cobertura lora a escala de laboratorio en entorno urbano: Las pruebas de laboratorio confirman que el sistema y los protocolos de comunicación inalámbrica implementados a incorporar en las estaciones AIoT, la tecnología LoRa, cumplen con los requisitos de rendimiento y fiabilidad. Adicionalmente, se tiene previsto efectuar pruebas de largo alcance in situ una vez instalados los transceptores LoRa para comprobar y corroborar los resultados de las pruebas de laboratorio utilizando la tecnología LoRa (Long Range). Estas pruebas permitirán evaluar el rendimiento de las estaciones en escenarios donde la conectividad LTE y WiFi puede ser limitada o inexistente. Se espera que LoRa proporcione una solución complementaria, especialmente en áreas rurales o remotas, asegurando que las estaciones AIoT puedan operar de manera efectiva en una variedad de entornos y condiciones.
• Integración en la Nube: Los datos transmitidos a la nube fueron consistentes y seguros, con una capacidad de respuesta rápida para el análisis en tiempo real. La infraestructura en la nube soportó eficientemente el incremento en la carga de datos.

Figura 5. Captura de pantalla en la nube de algunas de las variables medidas para los sistemas de sensores AIoT.

Figura 6. Captura de pantalla en la nube de algunas de las pruebas de control de la iluminación en la luminaria AIoT

Conclusiones

Las pruebas a escala de laboratorio de los sistemas y protocolos de comunicación inalámbrica realizadas confirman que el sistema y los protocolos de comunicación inalámbrica implementados y que se van a incorporar en las estaciones AIoT (luminarias inteligentes), utilizando LTE y WiFi, cumplen con los requisitos de rendimiento y fiabilidad.

Así mismo, la eficiente integración de los datos de las variables estratégicas (ambientales y climáticas) a la nube permite una gestión avanzada de estos, posicionando a las estaciones AIoT (luminarias inteligentes) como una solución robusta para aplicaciones en diversas industrias.

Se recomienda efectuar pruebas de largo alcance utilizando la tecnología LoRa (Long Range) una vez se cuente con el prototipo de captura de datos en territorio para validar la capacidad para cubrir grandes distancias con un consumo de energía muy bajo.

Estas pruebas permitirán evaluar el rendimiento de las estaciones en escenarios donde la conectividad LTE y WiFi puede ser limitada o inexistente. Se espera que LoRa proporcione una solución complementaria, especialmente en áreas rurales o remotas, asegurando que las estaciones AIoT puedan operar de manera efectiva en una variedad de entornos y condiciones.

Las pruebas futuras utilizando la tecnología LoRa se enfocarán en:

• Cobertura de Largo Alcance: Medir la capacidad de las estaciones AIoT para transmitir datos a distancias mayores utilizando LoRa.
• Consumo de Energía: Evaluar el consumo energético de las estaciones AIoT cuando utilizan LoRa, comparándolo con LTE y Wi-Fi.
• Fiabilidad y Estabilidad: Analizar la estabilidad de la conexión y la fiabilidad de la transmisión de datos en condiciones de largo alcance.
• Integración en la Nube: Asegurar que los datos transmitidos a través de LoRa también se integren de manera segura y eficiente en la plataforma en la nube.

En resumen, la combinación de LTE, Wi-Fi y LoRa permitirá que las estaciones AIoT sean extremadamente versátiles y adaptables, asegurando una conectividad confiable y continua en cualquier entorno. Esto reforzará aún más su utilidad y eficacia en diversas aplicaciones industriales y de campo.

Además, próximamente se contará con un prototipo funcional con todo el sistema integrado para efectuar pruebas de campo. Este prototipo permitirá validar el desempeño del sistema en condiciones reales y proporcionar información valiosa para realizar ajustes y optimizaciones antes de la implementación a gran escala.