2. CONNECTIVITAT DE DISPOSITIUS A INTERNET

2.1 TIPUS DE CONNECTIVITAT IoT

Els dispositius IoT poden comunicar-se mitjançant diferents tecnologies segons distància, consum i velocitat. Es classifiquen principalment en:

• Xarxes de curt abast (WPAN):

  • Bluetooth/BLE (ús en dispositius mòbils, baixos consum).

  • Zigbee (domòtica).

  • ESP-NOW (comunicació entre dispositius ESP sense WiFi).

• Xarxes de mitjà abast (WLAN):

  • Wi-Fi (molt usat per connectar a Internet, però ús més energètic).

  • LoRa (Long Range): connectivitat de llarg abast i baix consum, ideal per a sensors a llarga distància, ciutats intel·ligents, agricultura.

• Xarxes de llarg abast (WAN):

  • 4G/5G (per a dispositius mòbils i wearables).

  • Sigfox, NB-IoT (baix consum, grans distàncies).

2.2 PROTOCOLS DE COMUNICACIÓ BÀSICS

Perquè els dispositius puguin intercanviar informació, utilitzen uns protocols que són com unes regles que diuen com enviar i rebre dades de forma correcta.

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport)

És un protocol molt utilitzat en IoT perquè és lleuger i consumeix poca energia. Funciona com un sistema de missatgeria amb tres parts:

• Broker: És com una centraleta que rep els missatges i els envia als destinataris correctes. Els dispositius no es comuniquen directament entre ells, sinó que envien i reben informació mitjançant aquest broker.

• Publicador (publisher): És el dispositiu que envia la informació.

• Subscriptor (subscriber): És el dispositiu que rep la informació.

Per exemple, un sensor envia dades al broker, i un ordinador o mòbil que està subscrit a aquestes dades les rep.

Format JSON: com enviar dades fàcilment

Quan es transmeten dades entre dispositius, és important que estiguin ben organitzades. JSON és un format de text que serveix per empaquetar la informació de manera clara i compacta.

JSON utilitza parelles "clau": "valor", per exemple:

Això significa que la temperatura (Temp) és 23.5 graus i la humitat (Hum) és 68%. El JSON és fàcil de llegir tant per les persones com per les màquines.

2.3 QUÈ ÉS LoRa (Long Range)?

LoRa és una tecnologia de comunicació sense fils dissenyada per a transmissió de dades de baix consum i llarga distància. Normalment, s’utilitza per enviar dades senzilles i petites, com ara valors de temperatura o la ubicació d’un objecte.

• És ideal per a sensorització d’entorns on la cobertura Wi-Fi no arriba o on cal un consum d’energia molt baix.

• S’usa habitualment en ciutats intel·ligents, agricultura de precisió, monitoratge ambiental i magatzems.

• Permet connectar sensors remots enviant dades amb molta eficiència i a distàncies de fins a diversos quilòmetres.

 

 

2.4 QUÈ ÉS LoRaWAN?

LoRaWAN és un sistema que organitza com es comuniquen molts dispositius LoRa a través d’una xarxa. Inclou dispositius, gateways (que són com punts d’entrada a la xarxa) i servidors que gestionen la informació. Aquesta estructura fa possible que es connectin milers de dispositius distribuïts.

Avantatges de LoRa/LoRaWAN

• Gran abast: pot funcionar fins a 3 km en ciutats i fins a 20 km en zones lliures.

• Baix consum: fa que els dispositius puguin funcionar amb bateries durant mesos o anys.

• Seguretat: les dades s’envien xifrades per evitar que altres persones les puguin llegir.

• És ideal per a aplicacions com ciutats intel·ligents, agricultura o seguiment d’objectes.

Per a utilitzar LoRaWAN cal alguns components i seguir alguns passos clau:

1. Dispositius LoRaWAN → cal dispositius o sensors que estiguin equipats amb tecnologia LoRa per a capturar dades i enviar-les a través de la xarxa LoRaWAN. Aquests dispositius poden variar segons la teva aplicació, com sensors de temperatura, dispositius de seguiment GPS o mesuradors d’humitat, entre d’altres.
2. Gateway LoRaWAN → has de tenir com a mínim un gateway LoRaWAN. Aquest és un dispositiu que rep senyals dels dispositius LoRa i els transmet a la xarxa LoRaWAN. Els gateways acostumen a estar connectats a Internet i aporten la connectivitat a la xarxa global. 2
3. Plataforma de gestió i aplicacions → utilitzaràs una plataforma de gestió i aplicacions per a administrar els teus dispositius LoRaWAN i les dades que recopilen. Aquestes plataformes et permeten confi gurar i monitorejar els teus dispositius, així com rebre i analitzar les dades que generen.
4. Configuració i programació → els dispositius LoRaWAN necessitaran ser confi gurats i programats per a enviar dades a través de la xarxa. Això sovint implica l’ús de programari o eines de desenvolupament específiques per a la teva aplicació.

2.5 COM S'UTILITZA LoRa AMB ESP32?

Per utilitzar LoRa amb l’ESP32 s’afegeix un mòdul LoRa que es connecta a la placa. Aquest mòdul es configura per enviar i rebre dades amb paràmetres específics (freqüència, potència, etc.).

Les dades que s’envien es poden empaquetar en format JSON perquè siguin fàcils d’interpretar. També és possible xifrar-les per protegir la informació durant la transmissió.

L’únic que fa falta per crear una xarxa LoRaWAN és configurar els dispositius, tenir un o més gateways que enviïn la informació a Internet, i una plataforma per gestionar les dades.

Durant el curs aprendrem a implementar diferents tecnologies IoT amb l'ESP32, aplicant-les a una maqueta d’una casa domòtica per a fer el procés més pràctic i realista. Les activitats inclouran:
● Control remot amb Bluetooth (BLE): Controlar llums o motors de la casa des d’un dispositiu mòbil amb baix consum energètic.
● Servidor web amb Wi-Fi: Crear una interfície web per a monitoritzar sensors i controlar dispositius de la casa des del navegador.
● Gestió de dades amb MQTT: Enviar i rebre dades dels sensors de la casa mitjançant un broker MQTT per a monitoratge en temps real.
● Visualització al núvol amb ThingSpeak: Enviar dades com temperatura o humitat a ThingSpeak per a crear gràfics i dashboards accessibles en línia.
● Automatització amb Telegram: Configurar un bot per a rebre alertes (com moviments detectats) i controlar dispositius de manera remota.
● Xarxes locals amb ESP-NOW: Connectar diferents ESP32 per a compartir dades sense Wi-Fi.
● Comunicacions a distància amb LoRa: Enviar dades de sensors a llarga distància, simulant monitoratge remot d’entorns com jardins o magatzems.

CONFIGURACIÓ DEL MÒDUL

El mòdul permet habilitar els 2 pins extres: 1 (D6 / IO27) i 2 (D7 / IO14).
En cas d’utilitzar LoRa (sense WAN) podem deshabilitar els dos pins i així utilitzar-los per a altres usos, encara que si els deixem a ON funcionarà el mode LoRa i llavors NO hem de connectar res als pins.
Per un altre costat, si utilitzem LoRaWAN obligatòriament el mòdul ha de tenir els dos microinterruptors en posició ON i no podrem connectar res en aquests pins.

LoRa amb arduinoblocks

Els blocs LoRa permeten treballar amb comunicació LoRa entre dispositius, realitzant connexions punt a punt. En realitat l’emissió de dades LoRa d’aquesta forma és captada per qualsevol dispositiu LoRa dins de l’abast i que treballi amb els mateixos paràmetres de freqüència i ajustaments interns del mòdul LoRa. Per això, la importància de xifrar les dades per a que no siguin capturades per qualsevol altre mòdul i puguin espiar la informació.
En aquest mode tampoc hi ha un control d’accés al mitjà ni validació de les dades (ACK). Tot aquest procés l’hem de supervisar nosaltres mateixos. L’habitual són sistemes simples d’emissor-receptor, o un model mestre-esclaus on un dispositiu inicia sempre la comunicació demanant la informació a un dels esclaus que respondrà quan el mestre li ho requereixi.
(En cas de sistemes complexos amb multitud de dispositius es recomana implementar o utilitzar una xarxa LoRaWAN on els gateways i servidors d’aplicació gestionen la comunicació, la seguretat, l’encriptat de dades i altres aspectes automàticament)