Sigfox

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Sigfox: es una solución de conectividad celular mundial para el Internet of Things pensada para comunicaciones de baja velocidad que permite reducir los precios y el consumo de energía para los dispositivos conectados. La solución de conectividad SIGFOX se basa en una infraestructura de antenas y de estaciones de base totalmente independientes de las redes existentes.

Sigfox es una alternativa de amplio alcance, que en términos de alcance está entre Wi-Fi y la comunicación móvil. Utiliza bandas ISM, que se pueden utilizar sin necesidad de adquirir licencias. Sigfox responde a las necesidades de muchas aplicaciones M2M que funcionan con una batería pequeña y solo requieren niveles menores de transferencia de datos, allí donde WiFi se queda demasiado corto y la comunicación móvil es muy cara y consume demasiada energía.

Sigfox utiliza una tecnología llamada Ultra Narrow Band (UNB) diseñada para funcionar con bajas velocidades de transferencias de 10 a 1.000 bits por segundo.

Sigfox usa la modulación de banda estrecha BPSK para hacer redes IoT de área amplia (WAN). LoRaWan usa un formato de modulación y sigfox usa otra modulación.

Al transmitir a través de un canal UNB, es decir, 200Hz de ancho en la señalización SIGFOX, se requiere poca potencia para transmitir datos a distancias considerables con poca fecha de datos de aire. Los sistemas UNB se usan frecuentemente en un solo sentido, desde un sensor (dispositivo terminal) hasta una estación base, pero es posible que se requieran servicios bidireccionales de vez en cuando. Por ejemplo, un sensor en un aparcamiento que indica si un espacio en particular está vacío solo tiene que transmitirse una vez cuando un automóvil ingresa al espacio, y una vez más cuando un automóvil se va y opcionalmente abre su receptor unas cuantas veces cada hora para escuchar comandos del sistema.

SIGFOX es relativamente único en este mercado, como controlador de tecnología y proveedor de servicios, al ofrecer la certificación de módem para que el dispositivo compatible con SIGFOX se pueda suscribir a la red únicamente administrada por SIGFOX Network Operator (SNO). Esto es similar al operador de telecomunicaciones en el negocio celular, excepto que solo se enfoca en OBJETOS CONECTADOS. Su beneficio es el chipset disponible comercialmente que permite acelerar el crecimiento del mercado y la adopción temprana de tecnología. El servicio SIGFOX está actualmente disponible en 45 países en todo el mundo en 2018 https://www.sigfox.com/en/news/sigfox-expands-its-global-network-45-countries

Buena explicación de Adafruit para LoRa y Sigfox: https://learn.adafruit.com/alltheiot-transports/lora-sigfox

Ultra Narrow Band (UNB)

UNB, Ultra Narrow Band, tecnología de modulación utilizada por LPWAN por varias compañías, incluyendo:

  • Sigfox, UNB-based technology de origen francés.
  • Telensa: https://www.telensa.com/
  • NB-IoT, otro estándar de banda estrecha iniciado y completado por 3gpp con su lanzamiento de la serie de estandarizaciones de IoT. Más inforamción: https://en.wikipedia.org/wiki/NarrowBand_IOT
  • Nwave, es una empresa que hace cosas muy similares a SIGFOX utilizando el estándar Weightless. Usa una tecnología patentada desarrollada en cooperación con MIT. Su primera versión sin códigos de corrección de errores, también forma la base del protocolo abierto Weightless-N.
  • Weightless, a set of communication standards from the Weightless SIG
  • Neul, el concepto de este sistema es similar al de Sigfox y funciona en la banda sub-1GHz. Neul Utiliza la infraestructura actual móvil 4G para una solución NB-IoT
  • Z-Wave es una tecnología RF de bajo consumo diseñada inicialmente para productos de domótica como controladores de iluminación y sensores. Optimizado para la comunicación fiable de baja latencia de pequeños paquetes de datos, alcanza velocidades de datos de hasta 100kbit/s, opera en la banda de sub-1 GHz y es robusta frente a interferencias de Wi-Fi y otras tecnologías inalámbricas en el rango 2,4 GHz como Bluetooth o ZigBee. Más información: https://en.wikipedia.org/wiki/Z-Wave

Ultra Narrow Band (UNB) generalmente se refiere a la tecnología que transmite por un canal de espectro muy estrecho, es decir <1KHz, para lograr un enlace de larga distancia (5 km en el área urbana o 25km en campo abierto) para el enlace de datos entre el transmisor y el receptor. Esto tiene sentido desde el punto de vista teórico debido a la excelente relación entre la potencia y el ruido de recepción bajo en banda (los filtros de recepción estrechos  eliminan la mayor parte del ruido). Una alternativa es usar comunicación de banda ancha, alta velocidad de datos y agregar ganancia de codificación (como CSS en LORA). Sin embargo, dado el mismo rendimiento neto de datos, ambos sistemas tendrán un rango similar.

Más sobre UNB:

UNB solo permite un operador en una frecuencia libre, en españa es Sigfox operado por Cellnex.

Tecnología Sigfox

SigFox se encuentra disponible a través de los principales proveedores de chips y módulos del mercado (entre otros; Silicon Labs, Texas Instrument, Intel, Telecom Design, o ETSI), ofreciéndoles soporte y facilidades para la integración de sus equipos en la red. SigFox, que busca la normalización de sus soluciones para la comunicación en el IoT, permite así la interoperabilidad entre equipos de distintos fabricantes. Además de este soporte, SigFox ofrece la posibilidad de certificar los dispositivos con la marca SigFox Ready. Este proceso pretende clasificar los dispositivos en función de la cobertura y el alcance radio al que pueden tener acceso, con categorías de 0 a 3; siendo la 0 la que mejor calidad radio ofrece, y la 3 la que da una calidad más baja.

Una vez fabricados y certificados los dispositivos, queda desarrollar aplicaciones para ellos, de manera que se podrían reemplazar soluciones existentes porque el uso de SigFox fuese más conveniente en diversos campos de estudio, o bien se podrían desarrollar aplicaciones completamente nuevas e innovadoras para su introducción en el mercado.

SIGFOX emplea un sistema de tipo celular que permite que los dispositivos remotos se conecten usando tecnología de banda ultraancha (UNB).

Sigfox en Cellnex. https://www.cellnextelecom.com/productos-y-servicios/smart-cities-iot-seguridad/internet-of-things/

Cómo funciona la red sigfox:

Los tres pilares de Sigfox son: bajo coste, eficiencia y alcance global

Así, basándose en los tres pilares fundamentales, las características más destacables de lo que ofrecen a sus clientes son las siguientes:

  • Frecuencias libres (ISM) resistentes frente a interferencias
  • Conectividad Ultra Narrow Band (UNB) bidireccional
  • Compatibilidad con los chips existentes
  • Conforme con ETSI y FCC
  • Eficiencia energética: han logrado que la autonomía de algunos productos se prolongue hasta 15 años
  • Conexión sencilla (plug & play)
  • Gestión basada en la nube
  • Cobertura internacional
  • Libre de derechos y royalties

Interesante Comparativa de  redes LPWAN: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405959517302953

Red Sigfox

SIGFOX es muy simple: ni códigos, ni configuración, ni peering. Busca algo sencillo y que el usuario no tenga que estar insertando códigos, PINs o claves complejas, por ello se adapta tan bien al IoT.

En el caso de smartphones y tablets, actualmente no son compatibles con esta red, pero, al no tener licencia de uso, su inclusión sería realmente económica y sencilla.

Lo cierto es que la red SIGFOX, por el uso que hace de los datos, tiene más de inspiración en el telégrafo o en Twitter que en las redes de banda ancha.

El enlace de radio SIGFOX utiliza bandas de radio ISM sin licencia. Las frecuencias exactas pueden variar de acuerdo a las regulaciones nacionales, pero, en Europa, la banda de 868 MHz es la más utilizada mientras que en EE UU es la de 915 MHz. La densidad de las células en la red SIGFOX se basa en un rango promedio de unos 30-50km en las zonas rurales. En las zonas urbanas, donde hay más obstáculos y el ruido es mayor, la densidad podrá reducirse a entre 3 y 10 km . Las distancias pueden ser mucho mayores para los nodos al aire libre, donde SIGFOX ha conseguido alcances de más de 1.000 kilómetros, lo que la hace especialmente adecuada para zonas despobladas o lejanas.

SigFox para la comunicación, proporciona una infraestructura de telecomunicación ya construida e independiente de cualquier red existente, con un bajo ancho de banda, y mejor adaptado a la transmisión de mensajes pequeños frente a otras alternativas, como LoRa. El uso del backend de SigFox (https://backend.sigfox.com/) como punto final de la comunicación, que recibirá los datos enviados por el módem y los presentará a través de su página web. Estos mensajes se reenviarán, mediante callback, a servicios externos para la generación de estadísticas y alarmas en tiempo real, haciendo innecesario el gateway que se usa con LoRa.

Arduino y Sigfox

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Sigfox: es una solución de conectividad celular mundial para el Internet of Things pensada para comunicaciones de baja velocidad que permite reducir los precios y el consumo de energía para los dispositivos conectados. La solución de conectividad SIGFOX se basa en una infraestructura de antenas y de estaciones de base totalmente independientes de las redes existentes.

Sigfox es una alternativa de amplio alcance, que en términos de alcance está entre Wi-Fi y la comunicación móvil. Utiliza bandas ISM, que se pueden utilizar sin necesidad de adquirir licencias. Sigfox responde a las necesidades de muchas aplicaciones M2M que funcionan con una batería pequeña y solo requieren niveles menores de transferencia de datos, allí donde WiFi se queda demasiado corto y la comunicación móvil es muy cara y consume demasiada energía.

Sigfox utiliza una tecnología llamada Ultra Narrow Band (UNB) diseñada para funcionar con bajas velocidades de transferencias de 10 a 1.000 bits por segundo.

Sigfox trabaja con fabricantes como Texas Instruments, Atmel, Silicon Labs y otros para poder ofrecer distintos tipos de SoC, transceptores y componentes de conexión a su red. En el caso de smartphones y tablets, actualmente no son compatibles con esta red, pero, al no tener licencia de uso, su inclusión sería realmente económica y sencilla.

La empresa que está haciendo el despliegue de la red de Sigfox en España es Cellnex Telecom antigua Abertis Telecom.

Cellnex:

Cómo funciona la red sigfox:

Los tres pilares de Sigfox son: bajo coste, eficiencia y alcance global

Así, basándose en los tres pilares fundamentales, las características más destacables de lo que ofrecen a sus clientes son las siguientes:

  • Frecuencias libres (ISM) resistentes frente a interferencias
  • Conectividad Ultra Narrow Band (UNB) bidireccional
  • Compatibilidad con los chips existentes
  • Conforme con ETSI y FCC
  • Eficiencia energética: han logrado que la autonomía de algunos productos se prolongue hasta 15 años
  • Conexión sencilla (plug & play)
  • Gestión basada en la nube
  • Cobertura internacional
  • Libre de derechos y royalties

Hardware Sigfox

Existen muchos dispositivos certificados por sigfox y pueden encontrarse en la sigfox partner network: https://partners.sigfox.com/

Dentro de los productos certificados por Sigfox lo divide:

Nosotros nos centramos en los kits de desarrollo, como por ejemplo el ATA8520 https://partners.sigfox.com/products/digikey que usa un microcontrolador ATMega328p como el Arduino UNO y el transceiver Atmel ATA8520D que también lleva el Arduino MKRFOX1200.

Entre los kits de desarrollo podemos destacar:

El Cesens mini de la empresa Riojana Encore lab es un ejemplo de un dispositivo certificado por Sigfox: https://partners.sigfox.com/products/cesens-mini

Todos estos dispositivos hay que darlos de alta en la red de Sigfox, aunque generalmente para los desarrolladores al comprar un dispositivo tenemos una suscripción de 1 o dos años a la red de Sigfox.

Comprar conectividad:https://buy.sigfox.com/ y precios: https://buy.sigfox.com/buy/offers/ES

Una vez hay un contrato, es necesario activar el kit de desarrollo en el backend de Sigfox: https://backend.sigfox.com/activate

Y ya podemos hacer nuestro proyecto con Sigfox. Muchos más proyectos con Sigfox: https://www.hackster.io/sigfox

Mensajes Sigfox

Los mensajes de Sigfox están diseñados para ser muy pequeños, optimizados para sensores y requerir sólo una pequeña cantidad de energía para transmitirlos. El payload de Sigfox está limitado a 12 bytes (excluyendo las cabeceras del payload). Un mensaje de ‘uplink’ desde un dispositivo a la estación base es enviado durante aproximadamente 6 segundos a un a velocidad de 100 bits/seg. Aunque pueda parecer una velocidad de información muy restringida, realmente hay muchas cosas que se pueden hacer con 12 bytes.

En el siguiente ejemplo muestra cómo con una estructura de 12 bytes mandar un conjunto de coordenadas GPS junto con velocidad, hora y voltaje de batería.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Lat. Lat. Lat. Lat. Lon. Lon. Lon. Lon. Vol. Sats. Acq. Spd.

Más información: http://makers.sigfox.com/getting-started/

El protocolo Sigfox soporta comunicación bidireccional. Esto significa que es posible configurar el módulo Sigfox para solicitar datos desde los servidores de Sigfox. A esto se le denomina mensaje ‘downlink’. El dispositivo Sigfox manda un mensaje de ‘uplink’ a los servidores de Sigfox solicitando un mensaje de ‘downlink’ y espera durante 30 segundos. El dispositivo espera recibir un mensaje con un payload de 8 bytes. Por la regulación ETSI, los dispositivos están limitados a 4 mensajes ‘downlink’ al día.

Debido a que el dispositivo inicia el mensaje de ‘downlink’, en lugar de la estación base, los mensajes de ‘downlink’ se usan comúnmente como configuración. Un ejemplo podría ser un dispositivo con múltiples sensores para recogida de datos que diariamente consulta los umbrales de alerta configurados en el dispositivo.

Explicación del downlink paso a paso: http://www.iotnet.mx/index.php/2017/03/02/el-downlink-de-sigfox-explicado-paso-paso/

Backend de Sigfox

Además de la red de Sigfox, tenemos los dos extremos de la comunicación: los dispositivos, emisores de mensajes, que están conectados a la red, y el punto final o backend de la comunicación, que recibe esos mensajes y los procesa para generar un resultado.

En el caso de SigFox, se ofrece el servicio llamado SigFox Cloud para el segundo propósito, que ofrece una aplicación web conocida como SigFox Backend. Desde ella, se pueden gestionar los dispositivos, visualizar los mensajes transmitidos por los mismos y configurar de integración de los datos, entre otros. Además, el servicio da la oportunidad de poder redirigir todo el volumen de información que llega al backend a cualquier aplicación ejecutada en un servidor o centro de procesamiento de datos.

Hay dos maneras de tomar los datos que recoge el backend de Sigfox:

  • Utilizando la API que proporciona el backend, basada en HTTP REST (GET o POST, indistintamente); la cual, en función del recurso pedido, devuelve un resultado concreto, con una carga útil con formato JSON.
  • Utilizando una URL de callback, identificando dicha URL a la aplicación web que desea recibir los mensajes. De esta forma, se registraría dicha URL en el backend, indicando los atributos que le interese recibir (por ejemplo, la carga útil del mensaje); y cada vez que llegase un mensaje al mismo, éste le reenviará los valores pedidos en un mensaje con formato, por ejemplo JSON.

Como hemos visto, el módem de radio de Sigfox envía ráfagas de datos a las antenas de la estación base. Idealmente, una señal es captada por más de una antena. El paquete de datos se demodula en la estación base y luego se envía al centro de datos de sigfox (backend). Luego, el centro de datos envía los datos recibidos a los suscriptores del servicio a través de servicios web de callback al estilo REST.

Centrándonos en el backend de SigFox, veamos las opciones de navegación que nos ofrece, con una breve explicación de cada una de ellas.

Cuando accedemos al portal, se nos presenta una página de bienvenida, que nos notifica de las nuevas funcionalidades incluidas en la página. También tenemos acceso a una lista de eventos de la red y a un mapa con la cobertura actual en el país. A través de la barra superior, podemos navegar por los distintos apartados de la página, diferenciando los siguientes (de izquierda a derecha):

  • Device: nos muestra los dispositivos registrados en el backend, distinguidos por un identificador único. Entre otras opciones; nos muestra estadísticas con el número de mensajes enviados diariamente, notificaciones de eventos surgidos durante la transmisión (como saltos en el número de secuencia, que indican pérdida de información), y sobre todo, los mensajes enviados; con la fecha de recepción, el contenido del mensaje (con la codificación elegida por el fabricante del dispositivo), su traducción a ASCII (si se han enviado caracteres), su localización (mostrando un rectángulo formado por la latitud/longitud, sin decimales, en la que se encuentra el dispositivo), información sobre redundancia, el nivel de la señal recibida (en dB), y la URL de callback a la que se redirige (de haberla).
  • Device Type: lista los tipos de dispositivos registrados en el backend. De esta forma, a cada conjunto de dispositivos le podemos asociar un tipo para gestionarlos de la misma manera. La opción más relevante a considerar en este apartado es el establecimiento de las URL de callback a cada tipo de dispositivo; pudiendo utilizar más de una URL para cada tipo, eligiendo entre GET o POST, y pudiendo seleccionar las variables que se desean obtener (entre otras; el identificador de dispositivo, la hora de llegada del mensaje, la potencia media de la señal, la latitud/longitud desde donde se envió el mensaje, o la carga útil).
  • User: muestra los usuarios, pertenecientes a un grupo, que tienen acceso al backend.
  • Group: gestiona los grupos configurados en el backend. A ellos se le pueden asociar usuarios, dispositivos o suscripciones. Además, SigFox le proporciona un usuario y contraseña para tener acceso a la API REST.
  • Billing: se encarga de las suscripciones a SigFox, incluyendo los servicios contratados, el número de mensajes máximo permitido o el precio de la suscripción, como aspectos más relevantes.
  • Información rápida del usuario: hace de resumen de la pestaña User, e incluye las direcciones IP con las que el usuario ha accedido al backend, junto la fecha de último acceso de cada una.
  • Redirección a la lista de eventos de red.
  • Ayuda online: dispone de documentación para el uso de callbacks y la API REST, información para el proceso de suscripción, y una breve mención al formato de los mensajes enviados.
  • Logout: para cerrar sesión.

Más información sobre el backend de Sigfox:

Lo primero que se debe hacer es registrar un dispositivo en la red de Sigfox: https://backend.sigfox.com/cms/section/52f8a5b593368ce020b924e1/info

Activar un dispositivo: https://backend.sigfox.com/activate