Sigfox: La red del IoT

En la actualidad se cuenta con diversas soluciones para realizar proyectos de Internet de las cosas, tal es el caso de las tarjetas Arduino, ESP8266, Raspberry Pi, Odroid, Photon, entre otras (figura 1), las cuales nos ofrecen mucho soporte para aprender sobre protocolos de internet, pero también nos dan las bases para realizar aplicaciones de monitoreo y control, sin embargo el trabajar con este tipo de tarjetas no siempre son la mejor opción para un proyecto de IoT a nivel industrial, ya que se presentan algunas deficiencias como las siguientes:

  • Trabajan con internet de manera local.
  • No siempre manejan protocolos de seguridad.
  • Tienen una tasa alta en transferencia de datos.
  • Es relativamente caro.
  • Se requiere siempre tener una conexión a internet.
  • El consumo de energía es alto.

Aunque los puntos mencionados anteriormente no aplican a todos los proyectos de IoT (ya que dependen más del tipo de aplicación que vayamos a realizar) es importante considerarlos a la hora de elegir como vamos a realizar nuestros proyectos.
En esta entrada queremos resaltar que existen alternativas para el desarrollo de IoT, tal es el caso de la red Sigfox, que es una red relativamente nueva en México, que tiene ciertas ventajas sobre los proyectos IoT convencionales.

Fig 1. Tarjetas con comunicación a Internet.

¿Qué es Sigfox?

Sigfox es una tecnología de red de área amplia de baja potencia (LPWAN) especialmente diseñada para Internet de las cosas. Los dispositivos conectados con Sigfox consumen poca energía y operan a grandes distancias en comparación con los protocolos de conexión WiFi y Bluetooth que consumen más energía y funcionan mejor a corto alcance.
Por lo tanto, es bastante única, ya que Sigfox es un estándar y una empresa fundada en Toulouse, Francia a mediados del año 2009.

Sigfox es una tecnología patentada y cerrada. Sin embargo, mientras su hardware está abierto, la red no está, por lo que hay que pagar una suscripción. De entre los socios de hardware de Sigfox se incluyen fabricantes como: Atmel, TI, Silicon Labs, Wisol, M2COMM y otros. Sigfox construye y opera su infraestructura de red de manera similar a la disposición de los operadores de telefonía móvil. Este es un modelo muy diferente al de otras redes LPWAN como LoRaWAN. Por ejemplo en LoRaWAN requiere que se use un PHY de hardware patentado en su red es decir una red de radios conectados a un gateway de un mismo proveedor de hardware, mientras que Sigfox usa varios proveedores de hardware pero una única infraestructura de red administrada. Sigfox calcula las tarifas por la cantidad de dispositivos que están conectados a la suscripción de red de un cliente, el perfil de tráfico por dispositivo y la duración del contrato.

Características de Sigfox

Como ya se menciono Sigfox es una red LPWAN es decir una “red de área amplia de baja potencia” esto se puede traducir como un estándar que toda red LPWAN sin importar su nombre deben de obedecer, por ejemplo nosotros hablamos de Sigfox pero existen otras redes como LoRaWAN, NB-IoT, LTE-M que aunque trabajan bajo sus propias reglas, generalmente comparten las mismas características con sus respectivas diferencias, a continuación destacamos las mas importantes en Sigfox :

  • Autonomía. Consumo de energía extremadamente bajo, lo que permite años de duración de la batería.
  • Sencillez. Sin configuración, solicitud de conexión o señalización. El dispositivo está funcionando en minutos.
  • Eficiencia de costo. Desde el hardware utilizado en los dispositivos hasta nuestra red, optimizamos cada paso para que sea lo más rentable posible.
  • Pequeños mensajes: No se permiten grandes activos o medios en la red, solo notificaciones pequeñas: hasta 12 bytes por mensaje.
  • Complementariedad: Gracias a su bajo costo y facilidad de configuración, también puede usar Sigfox como una solución secundaria para cualquier otro tipo de red, por ejemplo: Wi-Fi, Bluetooth, GPRS, etc.
  • Distancia: Puede variar dependiendo de los obstáculos pero podemos definirla entre 1-5 kilómetros en áreas urbanas densas, hasta 15-30 kilómetros en áreas rurales.
  • Cobertura: Sigfox no solo se limito a lograr grandes distancias sino también una cobertura de alta densidad que permite conectar alrededor de 250,000 dispositivos por antena.
  • Suscripción: Anual por cada dispositivo.
  • Seguridad: No se intercambian claves a través de la red. Los mensajes se pueden cifrar o codificar. Cada mensaje se firma con una clave exclusiva del dispositivo.

Modo de Operación de Sigfox

Sigfox se auto denomina como una red para objetos conectados, que transportan datos desde donde se encuentren instalados y hasta a sus sistemas de TI para la visualización de los mismos, pero, ¿Cómo se logra esto?
La tecnología Sigfox requiere el uso de antenas instaladas en lugares estratégicos en una determinada área y recibe datos de dispositivos (sensores en parquímetros, sensores de temperatura, medidores de luz eléctrica, medidores de agua etc.) a su alrededor como se visualiza en la figura 2.

Fig 2. Las antenas esperan la recepción de mensajes para poderlos subir al backend del usuario.

Estas transmisiones que realizan los dispositivos utilizan frecuencias de banda ISM sin licencia, es decir, 920 MHz (Sur América) u 868 MHz (Europa). Otros países también tienen bandas de frecuencia de banda ISM sin licencia similares, por ejemplo en el caso de Norte América que es donde pertenece México manejamos una frecuencia de 902 Mhz, en la figura 3 podemos ver la clasificación de las configuraciones de radio o RC (Radio Configurations) destinadas para los países donde se encuentra trabajando la red Sigfox.

Fig 3. Países que cuentan con red Sigfox.

En la figura 3 podemos ver que México está sombreado de azul por lo que deducimos que pertenece a la configuración RC2 = 902MHz, en la siguiente tabla podemos ver las configuraciones de radio que operan en el resto del mundo así como la frecuencia a la que trabajan, si se desea información más detallada la pueden encontrar en la siguiente liga: Cobertura Sigfox.

Configuración de RadioFrecuencias
RC1868 MHz.
RC2902 MHz.
RC3923 MHz.
RC4920 MHz.
RC5923 MHz
RC6865 MHz

Cada dispositivo en una red Sigfox tiene un ID único. El ID se utiliza para enrutar y firmar mensajes, así como autenticar el dispositivo Sigfox. Otra característica de la comunicación Sigfox es que usa disparo y olvido. Es decir los mensajes no son reconocidos por el receptor, por el contrario, el dispositivo envía 1 mensaje 3 veces en 3 frecuencias diferentes en 3 momentos diferentes (figura 4). Esto ayuda a garantizar la integridad de la transmisión de 1 mensaje. El modelo disparo y olvido no tiene forma de garantizar que el mensaje se recibió realmente, por lo que depende del transmisor hacer todo lo posible para garantizar una transmisión precisa, tampoco hay tráfico de sincronización ni señalización entre la red y el dispositivo (para ahorrar consumo y ancho de banda).

Fig 4. Un Mensaje triplicado para asegurar la recepción del mismo.

Las tramas contienen un preámbulo de símbolos predefinidos utilizados para la sincronización en la transmisión. Los campos de sincronización de trama especifican los tipos de tramas que se transmiten figura 5. El FCS es una secuencia de verificación de trama (FCS – Frame Check Sequence) utilizada para la detección de errores.

Fig 5. Trama del mensaje enviado al Backend Sigfox.

Ningún paquete contiene una dirección de destino u otro nodo. Todas las puertas de enlace (antenas) enviarán todos los mensajes al servicio en la nube (Backend) de Sigfox, estos mensajes son llamados Uplink.
Por otra parte podemos ver en la figura 5 que el mensaje que nos interesa sea enviado tiene su lugar en el campo llamado payload con un tamaño de 0 a 12 Bytes hexadecimales, el payload contiene las variables que estamos monitoreando en nuestra aplicación, como vemos en el recuadro rojo las variables se encuentran concatenadas en duplas de esta manera:

“0e5e418208” = 0e-5e-41-82-08

En este caso cada dupla representa una variable, que tomando estas de derecha a izquierda (formato little-endian) y convirtiéndolas a números enteros nos quedaría de esta manera:

  • temp2: 8 -> dupla: x08
  • lux: 130 -> dupla: x82
  • luz: 65 -> dupla: x41
  • humedad: 94 -> dupla x5e
  • temp1: 14 -> dupla: x0e

Esto es solo un ejemplo de como podemos aprovechar los 12 Bytes que tenemos como máximo para enviar información al backend, como se describe en el ejemplo solo se enviaron 5 variables en un único mensaje pero pueden ser cuantas variables quepan en 12 Bytes. Por otra parte si monitoreamos variables que entregan valores en números enteros o flotantes debemos convertidos a números hexadecimales ya que el backend de Sigfox espera leer hexadecimales, si nosotros queremos ver el dato como decimal y no en hexadecimal para ver que llego bien podemos configurar la opción dentro del backend como se ve en la figura 6.

Fig 6. Mensajes registrados en el backend de sigfox.

La captura de la figura 6 es tomada del backend de Sigfox que es una cuenta que crea cada usuario para registrar todos sus módulos sigfox es decir una tarjeta que sea compatible con la red, sin importar que el fabricante sea Arduino, TI, Wisol, M2COMM o cualquier otro. Más adelante veremos los módulos que trabajamos en AG Electrónica para su consulta o compra, de igual forma hay que mencionar que el backend es una cuenta de configuración, el respaldo de información de cada uno de los mensaje que sean emitidos por nuestros módulos Sigfox y además nos permite exportar nuestros datos registrados a plataformas de manejo de información (figura 7) como AWS, Azure o una plataforma propia, con el fin de realizar dashboards que aporten métricas, nos informen del comportamiento de nuestro sistema e incluso den predicciones de las variables que se están monitoreando.

Fig 7. Dashboard con monitoreo de brazo robótico.

Envió de mensajes en Sigfox

A diferencia de las aplicaciones IoT con Arduino, donde nosotros enviábamos mensajes cada segundo, con Sigfox no podemos hacer la misma operación ya que con Arduino utilizábamos una red de internet wifi, pero en Sigfox la red nos restringe en cuanto al numero de mensajes, esto es así porque:

La regulación en Europa establece que se puede ocupar el 1% del tiempo en la banda pública (868MHz) en el transcurso de 1 hora como máximo. Esto se traduce en 6 mensajes (cada uno repetido tres veces como hemos visto) de 12 bytes por hora, es decir 144 mensajes por día.

O dicho de otra forma si sabemos que el 1% de 3600s (1hr.) son 36s
Comprobamos que: (2s)(6 mensajes)(3 repeticiones de mensaje) = 36s

Por ende solo tendremos permitido enviar:
– 6 mensajes en 1 hora.
– 144 mensajes en 1 día.

En otros países, la regulación podría permitir más mensajes, pero se mantuvo dicha oferta comercial igual en todo el mundo.
Algo más que podemos mencionar en cuestión a los planes es que los 144 mensajes son permitidos con el mejor plan de Sigfox ya que en aplicaciones donde solo se requiera el envió de menos mensajes, por ejemplo 2 al día se puede optar por un plan mas económico. En caso de buscar un plan a la medida le sugerimos consultar con un asesor de ventas a dar clic en soporte para mas información.

Aplicaciones con Sigfox

Tomando en cuenta todo lo hemos visto de Sigfox podemos concluir que es su fuerte no es el control pero si es líder en monitoreo por lo tanto si tu aplicación requiere de monitoreo a continuación mencionamos algunas aplicaciones donde interviene Sigfox actualmente.

Agricultura: La industria agrícola actual está centrada en los datos, es más precisa e inteligente que nunca. El internet de las cosas permite a los agricultores, ganaderos y apicultores mantenerse conectados con sus campos y existencias como nunca antes.

Casas Inteligentes: Impulsado por la red global de Sigfox dedicada exclusivamente al Internet de las cosas, la próxima generación de soluciones para el hogar inteligente es más segura, versátil y asequible que nunca. Es un conjunto de herramientas más inteligente para un mundo más conectado.

Industria: Las soluciones de IoT ayudan al sector manufacturero a racionalizar las operaciones, reducir costos y obtener nuevos conocimientos. Realice un seguimiento de las métricas de toda la instalación en tiempo real y controle de forma remota todo, desde los niveles del tanque, hasta los datos de consumo y las fuentes de energía de respaldo. Estos dispositivos plug-and-play se combinan a la perfección con la maquinaria existente para obtener una solución asequible, flexible y más fácil de usar que nunca.

Logística: Rastrear y proteger sus activos más valiosos nunca ha sido tan fácil. La próxima generación de dispositivos IoT habilitados para Sigfox supera las deficiencias de la tecnología de seguimiento tradicional para brindarle un aspecto más ágil. Al aprovechar la red de Sigfox dedicada exclusivamente al Internet de las cosas, estas soluciones de IoT ofrecen flexibilidad, asequibilidad y una visión integral de la cadena de suministro en tiempo real. Supervise fácilmente la ubicación y el estado de los productos a medida que viajan por tierra, mar y aire. Las soluciones logísticas inteligentes incluso ofrecen una seguridad mejorada para almacenes y vehículos de flotas, brindando a su empresa de transporte y logística.

Hardware compatible con Sigfox

Sigfox no vende el hardware para el envió de mensajes a través de su red, solamente proporciona la infraestructura necesaria para ello, pero existen muchos fabricantes que disponen de módulos compatibles, nosotros en AG Electrónica manejamos los módulos de la figura 8, que son de la marca Wisol y M2COMM, en términos simples ambos módulos se comunican con cualquier microcontrolador o tarjeta de desarrollo que maneje el puerto serial. Ya realizaremos un ejemplo practico en otra entrada del blog, pero si presenta alguna duda de su uso puede consultar la ficha técnica de los módulos en nuestra pagina web, ya que la clave se visualiza con en letras azules.

Fig 8. Módulos de comunicación serial compatibles con Sigfox.

Ya solo para finalizar esta introducción a Sigfox dejamos la infografía de la figura 9, para tratar de resumir como opera la red, recuerden que si tienen dudas o sugerencias con gusto las pueden dejar en los comentarios para atenderlas a la brevedad, así que hasta la próxima.

https://www.facebook.com/AGElectronicaMexico/

https://www.instagram.com/ag_electronica/?hl=es-la

Fig 9. Infografía del modo de operación Sigfox.

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