Comunicación presentada al III Congreso Ciudades Inteligentes:
Autores
- Rubén Blasco, Investigador, Grupo Howlab, Universidad de Zaragoza
- Jesús Barrera Francés, Director de proyectos, Geoslab
- Juan López de Larrinzar-Galdámez, CTO de tecnologías móviles, Geoslab
- Roberto Casas, Profesor Titular, Grupo Howlab, Universidad de Zaragoza
- F. Javier Zarazaga-Soria, Profesor Titular, Grupo IAAA, Universidad de Zaragoza
Resumen
La prestación de servicios digitales se construye siempre sobre la disponibilidad de redes de comunicaciones con unas garantías mínimas en capacidad y disponibilidad. Esto, que en entornos urbanos se asume como obvio en el siglo XXI y en países desarrollados, es una auténtica quimera en entornos rurales en estos mismos países y en este mismo siglo. No obstante, es posible dar respuesta a estas necesidades aprovechando conocimientos tecnológicos ya desarrollados, y efectuando labores de abstracción y transferencia para poder llevarlos a entornos distintos a los que los vieron nacer (esto también se denomina innovación). Este trabajo muestra la aproximación innovadora que se está siguiendo por un equipo integrado por varias empresas tecnológicas y dos grupos de investigación de la Universidad de Zaragoza buscando ofrecer capacidades de servicios basados en la localización en entornos donde el acceso a capacidades de comunicaciones de ancha banda ni están, ni se le esperan. Como primer foco de aplicación se ha elegido el seguimiento y control de ganadería en explotaciones extensivas de alta y media montaña.
Palabras clave
Servicios basados en la Localización, Áreas Sin Cobertura de Datos Móviles, loRa, Ganadería Extensiva
Introducción
Los sistemas extensivos de producción animal se basan en la utilización de especies ganaderas de interés zootécnico capaces de aprovechar eficazmente los recursos naturales mediante el pastoreo. Generalmente las especies ganaderas explotadas corresponden a genotipos autóctonos adaptados a los factores limitantes y ecológicos del medio natural. Los sistemas extensivos se basan en el aprovechamiento de los recursos naturales, de otra forma improductivos. Se aprovechan ciertas producciones vegetales, que de otra forma resultarían improductivas o, al menos, su recolección supondría costes tan elevados que la harían ruinosa. Además, el mantenimiento del ganado contribuye a la mejora paulatina o a la conservación de las áreas donde pasta. En España se dan tres tipos fundamentales de explotación extensiva con los condicionantes anteriores: explotaciones de vaca nodriza, explotaciones de ovino-caprino y explotación porcina (principalmente Ibérico). En este trabajo se abordan las dos primeras.
Las explotaciones de vaca nodriza se dan mediante rebaños con los que se persigue la obtención de un ternero por vaca y año, manteniendo a su vez un coste mínimo en la alimentación de las madres. A 1 de agosto de 2014, la cabaña española de vacas nodrizas alcanza 1.873.147 cabezas, para un censo de 87.168 explotaciones (21.5 vacas/explotación). Las explotaciones de ovino-caprino extensivo persiguen la obtención del máximo número de corderos por oveja y año, manteniendo a su vez un coste mínimo en la alimentación de las madres. Los corderos a producir deben presentar una alta velocidad de crecimiento, una buena conformación carnicera y un estado de engrasamiento lo más bajo posible. En este tipo de explotaciones no existe un censo diferenciado entre extensivo y estabulado. La cabaña ovina en España en 2014 alcanzaba el 18% del total de la Unión Europea. En España, el censo total de ganado a 1 de enero de 2015 representaba 16.361.118 de las que 8.300.000 son hembras ya paridas de no ordeño, para un censo de 116.319 explotaciones (140 oveja/explotación).
Las explotaciones extensivas reciben un apoyo de la Unión Europea debido al valor de mantenimiento de ecosistemas que aportan, junto con valores sociales vinculados a la ordenación del territorio. Estas ayudas están establecidas en el artículo 52 del Reglamento (UE) Nº 1307/2013 del Parlamento Europeo y del Consejo, de 17 de diciembre de 2013, y están destinadas a los ganaderos que cumplan los requisitos establecidos en Sección 5ª del Capítulo II del Título IV del Real Decreto 1075/2014 de 19 de diciembre, solicitándose cada año a través de la solicitud conjunta de ayudas PAC.
El principal reto al que se enfrentan en estos momentos las explotaciones extensivas es demostrar que estas ayudas de la Unión Europea generan un retorno económico y social que compensa las mismas. De este modo se lograría cambiar el discurso que a nivel general está establecido y conseguir que pasen de denominarse AYUDAS a denominarse INVERSIONES. Como primer paso en este recorrido de cambio del discurso, se está abordando un proyecto destinado a identificar sobre qué zonas realmente están pastando los animales. A partir de aquí, y en posteriores acciones, se establecerá la cuantificación del consumo de estas masas forestales improductivas con el fin de determinar el adecuado dimensionamiento de las explotaciones de modo que se permita maximizar la cabaña implantada en una zona geográfica. En paralelo con esto, se abordará la valoración económica, social y de mantenimiento de la biodiversidad que estas explotaciones generan en el territorio.
En este trabajo se presenta la aproximación tecnológica que se está utilizando para poder identificar las zonas en las que los animales se están moviendo. La siguiente sección aborda el problema de las comunicaciones que ha sido necesario resolver, a la vez que presenta los elementos básicos del sistema. Posteriormente se analiza el estado actual del proyecto y los siguientes pasos a dar.
El problema de las comunicaciones y la aproximación propuesta
Comunicaciones móviles y accesibilidad a redes de datos
UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) es el sistema empleado por los móviles y dispositivos de acceso de tercera generación (3G), que mejoró sustancialmente las prestaciones del sistema GSM (Global System for Mobile communications) en transmisión de datos, permitiendo una mayor eficiencia y una velocidad máxima de transmisión de datos por usuario de 384 kbps. Asimismo, la tecnología 3G ha cambiado radicalmente la concepción del móvil, que ha pasado a ser un terminal compatible con todo tipo de servicios multimedia en movilidad interactivos y nuevas aplicaciones de banda ancha, tales como servicios de vídeo conferencia o los servicios de acceso a Internet. En la actualidad, existen evoluciones del UMTS (3.5 G), como HSPA (High Speed Packet Access) que es la tecnología empleada en las conexiones de Internet móvil. Utiliza de forma más eficiente el espectro radioeléctrico que tienen asignado las operadoras, mejorando la velocidad y latencia en la transferencia de datos. HSPA está formado por HSDPA y HSUPA, mejoras para el canal descendente y ascendente respectivamente.
LTE (Long Term Evolution) es un nuevo estándar de la norma 3GPP. Definida por unos como una evolución de la norma 3GPP UMTS (3G) y por otros como un nuevo concepto de arquitectura evolutiva (4G). De hecho, LTE será clave para el despegue de Internet móvil: servicios como la transmisión de datos a más de 300 metros y videos de alta definición, gracias a la tecnología OFDMA serán de uso corriente en la fase madura del sistema. Las redes LTE representan la evolución de las actuales tecnologías 3G e implican mejoras considerables en los servicios de banda ancha móvil: permiten velocidades superiores a los 100 megas, una menor latencia y son compatibles con los últimos avances de tecnología móvil.
La tecnología 4G está basada totalmente en IP siendo un sistema de sistemas y una red de redes, alcanzándose después de la convergencia entre las redes de cables e inalámbricas así como en ordenadores, dispositivos eléctricos y en tecnologías de la información además de con otras convergencias para proveer velocidades de acceso entre 100 Mbps en movimiento y 1 Gbps en reposo, manteniendo una calidad de servicio constante y de alta seguridad para permitir ofrecer servicios de cualquier clase en cualquier momento, en cualquier lugar y con el mínimo coste posible.
En la actualidad, la banda ancha móvil ya representa el 10% de las conexiones de banda ancha en España y tiene un crecimiento anual del 50%, según la Comisión del Mercado de las Telecomunicaciones, por lo que la banda ancha móvil se considera uno de los factores inductores de un nuevo paso en el desarrollo de la Sociedad de la Información en España. En cuanto a las infraestructuras, se ha producido un avance significativo en el despliegue de banda ancha móvil con velocidades comparables a las tecnologías ADSL, con una cobertura 3G en España del 80% de la población, superior a la media europea que se sitúa en el 71,3%.
No obstante, todo lo anterior, España cuenta con un grave problema de cobertura en materia de Internet de alta velocidad. Los principales operadores cubren más del 80 % de la población, pero con una clara limitación en lo que a cobertura de territorio se refiere (ver Figura 1). Si se lleva este análisis a países en desarrollo en los que sea posible abordar acciones comerciales con bastantes posibilidades de éxito (Latinoamérica, Golfo Pérsico, Rusia, China, Turquía, …), el problema de la conectividad de alta velocidad se incrementa notablemente, ya que se llega a contar con áreas de conectividad 0 en materia de comunicaciones móviles (ni tan siquiera telefonía móvil de voz).
Comunicaciones de Largo Alcance y Baja Energía (LoRa)
LoRa es una modulación de radio frecuencia propietaria de Semtech derivada de la Chirp Spread Spectrum (CSS) modulation. Esta modulación implementa una tasa de transmisión de datos variable, utilizando un spreading factor ortogonal, de forma que permite, para una determinada configuración de potencia, optimizar el funcionamiento de la red inalámbrica con un ancho de banda constante (Application note AN12000: LoRa Mudulation Basic, Semtch).
El uso de esta modulación está propiciando la aparición de nuevos protocolos de comunicación basados en la misma, como LoRaWAN, promovido por la LoRa Alliance. LoRaWAN podría ser considerado como un protocolo que permite la creación de una red inalámbrica de bajo consumo y amplio alcance (LPWAN, Low Power Wide Area Network), con una tasa de transferencia de datos comprendida entre los 0.3 kbps y los 50 kbps (Lora Alliance).
Estas características: bajo consumo, amplio alcance y baja tasa de transmisión de datos; hacen de la modulación LoRa una candidata ideal para distribuir sensores en el entorno, posibilitando cubrir grandes áreas con una mínima infraestructura. Pruebas realizadas por distintos proveedores de módulos de comunicaciones basados en LoRa, muestran cómo sus módulos pueden cubrir más de 15 km en un entorno semiurbano, aumentando considerablemente en campo abierto (RN2483 (433/868 MHz) LoRa Modem).
Diseño de la solución propuesta
El sistema que se está desarrollando cuenta con tres elementos fundamentales: sistema embarcado en el animal, infraestructura de comunicaciones, y plataforma para el ganadero.
Sistema embarcado
Se ha diseñado un dispositivo que cuenta inicialmente con sensores de localización y un sistema de alimentación que permita, al menos, controlar al animal durante toda una campaña de pastoreo en abierto. El diseño, y prototipo que actualmente está en desarrollo, pueden dar cabida a otros sensores a incorporar a futuro como medidores de temperatura de animal o incluso activadores de señales sonoras para poder facilitar localización de animales sobre el terreno. Cuatro son los principales retos de este dispositivo:
- Calidad del dato de posición óptima con un consumo energético mínimo.
- Operar en condiciones medioambientales muy adversas (lluvia, granizo, altas/bajas temperaturas, etc.).
- Bajo peso. El sistema debe poder ser usado tanto para vacas como para ovejas y cabras.
- Amplia autonomía de funcionamiento. El dispositivo deberá contar con una autonomía que garantice el funcionamiento durante toda una campaña de pastoreo en abierto. No es asumible que sea necesario ir a mitad de campaña a reemplazar baterías.
La siguiente figura presenta el prototipo del sistema embarcado.
El equipo embarcado basa su funcionamiento en la combinación de un receptor GNSS (L86 de Queltec), que permite posicionar utilizando GPS y GLONASS (equivalente ruso al GPS), y un e-compass (FXOS8700CQ de NXP), que incorpora un sensor triaxial de aceración y otro magnético. El uso combinado de ambos permite una mejor optimización energética, gestionando de forma inteligente el apagando o encendido del receptor GNSS en función de la actividad detectada. Asimismo, posibilita el desarrollo de algoritmos específicos que permitan reconocer una actividad concreta (p.e. tiempo de sueño, etc.). El sistema cuenta también con un módulo RF de comunicaciones que utiliza la modulación LoRa (RN2483 de microchip), permitiendo conectar tanto con redes LoRaWAN (estándar), como con infraestructuras propietarias basadas en esta modulación, y alcanzar distancias de hasta 15km con un consumo energético mínimo (40mA @ 3V). Adicionalmente, el dispositivo cuenta con una memoria interna de 64Mbits, de forma que, en función de la configuración, el dispositivo es capaz de almacenar muestras durante un periodo de tiempo, para posteriormente enviarlas.
El equipo será también alimentado mediante panel solar, ya que incorpora un DC/DC optimizado para energy harvesting, de forma que, en aquellas aplicaciones en las que el número de posicionamientos requeridos no sea alto, es totalmente autónomo energéticamente. Por ejemplo, utilizando el SLMD121H04L (MONO SOLAR CELL 43MM X 14MM con una salida máxima de 89mW) y una batería del tamaño de una pila AA podría realizar 96 posicionamientos al día de forma autónoma, reportando los mismos una vez al día. Finalmente, se ha diseñado para que el firmware de sistema pueda ser actualizado remotamente con lo que se consigue poder llevar actualizaciones al mismo sin necesidad de desplazarse hasta donde se encuentre instalado.
Infraestructura de comunicaciones
Evidentemente, para que la comunicación sea posible, es necesario que exista una “red inalámbrica” que garantice cobertura en toda el área de movimiento de los animales. La siguiente tabla muestra un análisis de las alternativas de soluciones sobre la base del mecanismo de comunicaciones. Como resultado, se ha optado por una aproximación basada en red IoT sobre LoRa por su bajo consumo y a su largo alcance.
Su bajo consumo posibilita que el coste de despliegue de una antena sea mínimo, ya que se puede alimentar con baterías y paneles solares. Estas antenas conectarán al sistema con el mundo IP, mediante GSM en aquellos puntos donde haya cobertura. A su vez, el largo alcance de radio frecuencia proporcionado por la antena posibilita que una sola antena cubra un rango de más de 15 Km, siendo suficiente un único equipo en muchos escenarios.
En este contexto específico, no es estrictamente necesario una cobertura exhaustiva del área a localizar. La existencia de algunas zonas de “sombra” de radio frecuencia puede ser mitigada por el hecho de que los animales se encuentran en movimiento y su ubicación se descargará del sensor una vez al día, cuando se encuentre dentro de la zona de cobertura. En cualquier caso, el sensor es capaz de almacenar en memoria la ubicación del animal durante varios días.
Igualmente, se está diseñando una antena móvil (de pequeño tamaño y fácilmente transportable en la mano) que podrá ser empleada para cubrir grandes áreas en coche buscando un animal o conjunto de animales en base a la información previamente recolectada por las antenas fijas, o ser desplegada mediante un globo aerostático. Adicionalmente, el sistema podría ser embarcado en un UAV (dron) que volase sobre las zonas de pastoreo y capturase las informaciones emitidas. Sin embargo, el alto coste operacional de esta solución se considera no necesario dado que el amplio rango de cobertura LoRa permite implementar soluciones de infraestructura mucho más baratas. Con el fin de determinar qué elementos son necesarios para desplegar esta red de comunicaciones y dónde deben ser ubicados, se ha desarrollado una aplicación que permita simular los escenarios de modo que se pueda establecer las zonas de cobertura y sombra de una antena de recepción de información. Esta herramienta será necesaria para la especificación de la infraestructura de comunicaciones anteriormente descrita.
Plataforma de recolección y manejo de la información de posición de los animales
Una vez que se haya logrado llevar la información de posicionamiento al mundo IP gracias a la infraestructura anterior, será necesario almacenar estos datos para su posterior procesamiento y aprovechamiento. Esto se llevará a cabo sobre un sistema web que se está construyendo y que aportará el almacenamiento de la información. El primer aprovechamiento que se efectuará será la visualización de las ubicaciones de los animales en periodos temporales establecidos y sus desplazamientos. Para ello, la plataforma incorporará un visor de información geográfica e integrará recursos de información externos como ortofotografías (PNOA y similares) y datos cartográficos de base (Base Cartográfica Nacional y similares). Esta plataforma constituirá la base para la posterior incorporación de módulos de procesamiento, recursos de teledetección y otros que posibilitarán el avance en la línea de trabajo presentada en la introducción.
Conclusiones y siguientes pasos
En este trabajo se ha presentado la línea de actuación entre varias empresas y dos grupos de investigación de la Universidad de Zaragoza para abordar problemas de seguimiento en áreas con comunicaciones deficientes o inexistentes. Esta línea de actuación pone el primer foco en el seguimiento de animales en explotaciones ganaderas en extensivo. A partir de aquí se abren dos sublíneas de trabajo claramente diferenciadas. De una parte, se está trabajando en el incremento y versatilidad de los sistemas de comunicaciones y concentradores de información para ser capaz de operar con un mayor número de sensores y en escenarios más variopintos. De la mano de estos trabajos se podrán ofrecer una mayor variedad de servicios basados en la localización, siempre con el foco en el ámbito rural donde los problemas de calidad y capacidad de las comunicaciones son (y serán) endémicos.
Por otro lado, el acceso a información de seguimiento de móviles (en este caso animales de explotaciones ganaderas, pero podrían ser personas, maquinaria, etc.) abre la puerta a trabajos de análisis que la conjuguen con otro tipo de informaciones complementarias (orografía, información meteorológica, y otros datos geográficos de temáticas varias) para la aplicación de técnicas de big data que posibiliten el desarrollo de herramientas de ayuda a la toma de decisiones efectivas y eficaces.
Agradecimientos
Este trabajo ha sido parcialmente financiado por el Gobierno de Aragón (proyecto GCP-2016-0035-00) y por el Gobierno de España (proyecto RTC-2016-4790-2).