Diseño e implementación de una estación meteorológica de bajo coste con conectividad a Internet

Abstract

The Internet of Things (IoT) is a new technological paradigm, which predicts in a near future billion of devices would be able to connect to Internet, opening a new set of services and applications that will enrich human interaction with their surroundings. The key of the IoT adoption and development is based on the interconnection of objects and services, requiring necessarily the use of protocols and standards through which objects and users can interact, even objects amongst themselves. However, IoT products and services to be able to scale needs to be self-sustainable, which translates in devices capable to operate years on battery or scavenging energy from their surroundings. Likewise, a fundamental requirement is the implementation of wireless communication technologies, to allow to seamlessly connect thousands of remote devices, without infrastructure or deployment restrictions. This project presents 6LoWeather: a wireless weather station, implemented on IEEE 802.15.4 standard, 6LoWPAN and MQTT open protocols, suitable to run on embedded devices with limited bandwidth and computational resources. The prototype integrates commercial sensors with the Zolertia RE-Mote hardware development platform, a wireless board compatible with the aforementioned standards and protocols. The application has been developed on Contiki OS, an operating system for the IoT, also using 6LBR to implement the border router, running in a Beaglebone Black. The application allows to connect to two MQTT brokers: Relayr (a commercial platform) and Mosquitto (a test server), easily expandable to other platforms as well. The 6LoWeather implementation follows four principles: a) a lower power consumption to allow running on batteries, b) a secure wireless communication, c) a mesh-based network topology to allow a larger deployment area, and d) an open implementation, with a lower cost than existing commercial solutions with similar features.

El Internet de las Cosas (IoT por sus siglas en inglés) es un nuevo paradigma tecnológico, según el cual en un futuro cercano millones de dispositivos podrán conectarse a internet, abriendo un nuevo abanico de aplicaciones y servicios que enriquecerán la forma en que los seres humanos interactúan con su entorno. La clave en la adopción y desarrollo del Internet de las Cosas se fundamenta en la interconexión de objetos y servicios, por lo que necesariamente se requiere el uso de protocolos y estándares, a través de los cuales los objetos puedan interactuar con los usuarios, e incluso entre ellos. Sin embargo, para que las aplicaciones y productos del Internet de las Cosas sean escalables requieren también que sean sostenibles, lo que se traduce en equipos capaces de operar años, utilizando únicamente baterías u obteniendo energía de su entorno. Así mismo, un requisito fundamental es la implementación de tecnologías y comunicación inalámbrica, que permita la conexión remota de miles de dispositivos de manera ubicua, sin restricciones de infraestructura o instalación. Este proyecto presenta 6LoWeather: una estación meteorológica inalámbrica, implementada sobre el estándar IEEE 802.15.4, y los protocolos abiertos 6LoWPAN y MQTT, idóneos para funcionar en equipos embebidos, típicamente limitados en recursos computacionales y ancho de banda. El prototipo integra sensores comerciales con la plataforma de desarrollo RE-Mote de Zolertia, una placa hardware inalámbrica compatible con los protocolos y estándares mencionados. La aplicación ha sido desarrollada en Contiki OS, un sistema operativo para el Internet de las Cosas, utilizando además 6LBR para la implementación del enrutador de frontera, instalado en una Beaglebone Black. La aplicación permite la conexión a dos brókeres MQTT: Relayr (plataforma comercial) y Mosquitto (servidor de pruebas), fácilmente ampliable a otras plataformas similares. La implementación de 6LoWeather cumple con cuatro directrices principales: a) un bajo consumo de energía que permita su funcionamiento con baterías, b) una comunicación inalámbrica segura, c) una topología basada en malla que permita una mayor área de cobertura, y d) una implementación abierta, con un coste menor respecto otras soluciones comerciales con prestaciones similares.