Neveras, lavadoras, termostatos, iluminación o sistemas de alarma. Hoy en día ya es muy común que todo tipo de electrodomésticos estén conectados a internet. Es la Internet de las Cosas (IoT): una red de objetos físicos con sensores y capacidad de procesamiento que intercambian datos a través de internet u otras redes de comunicación, con el fin de automatizar tareas y mejorar la eficiencia de procesos o la toma de decisiones, entre otros. No se trata de una tendencia exclusiva de los hogares. También empieza a llegar a todo tipo de aplicaciones en ciudades inteligentes —gestión del tráfico, alumbrado público o calidad del aire—, en industria —gestión de inventarios o mantenimiento predictivo— o, incluso, en explotaciones agrícolas —sensores meteorológicos, riego inteligente o control de plagas.
Aunque el potencial de la tecnología de los datos para mejorar la eficiencia y la calidad de vida de las personas es innegable, en la práctica plantean retos de gestión energética. Sin ir más lejos, cada sensor de un determinado sistema consume energía, y no siempre pueden estar conectados a la red eléctrica. Por lo tanto, necesitan pilas o baterías, elementos con una vida útil limitada y que implican un impacto ambiental elevado en la construcción y, una vez obsoletas, el desmantelamiento. Además, a menudo los sensores están situados en lugares de difícil acceso y hacer el mantenimiento puede resultar pesado y costoso. Para hacer frente a esta problemática, investigadores del Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática de la URV proponen una solución que combina dos tecnologías con una gran eficiencia energética: LoRa y backscattering.
LoRa (acrónimo del inglés Long Range) es una tecnología de transmisión de datos conocida por su largo alcance y una tasa de transmisión relativamente baja. Es una solución ideal en aplicaciones en las que no se requiere un envío constante de datos, como los sensores de monitorización y es robusta en cuanto a la seguridad. La tecnología de comunicación por backscattering —o retrodispersión—, por su parte, se basa en la reflexión de campos electromagnéticos. En vez de transmitir una señal, que requiere mucha energía para alimentar los circuitos del transmisor, se utilizan unos dispositivos llamados etiquetas RFID (acrónimo inglés de identificación por radiofrecuencia) para reflejar una determinada señal de radio. Al hacerlo, las etiquetas modulan las ondas de radio, lo que permite al receptor determinar de qué etiqueta proviene la información. Estos sistemas RFID son cada vez más populares y se utilizan, por ejemplo, como alarmas antirrobo en centros comerciales.
Un sistema de alarma supereficiente
Para probar el rendimiento y la viabilidad de combinar las dos tecnologías el equipo investigador ha optado por aplicarlas en un caso práctico: un sistema de alarma doméstico. El diseño que proponen utiliza sensores de apertura, que monitorizan el estado de puertas y ventanas. Como solo se activan de forma esporádica, son grandes candidatos para aplicarles esta tecnología de bajo consumo. El sistema consta de un aparato central que envía y lee señales LoRa y de una serie de sensores periféricos. El sistema central monitoriza el estado de puertas o ventanas que incluyen una etiqueta RFID. Cuando un sensor registra un cambio, activa la etiqueta de identificación por radiofrecuencia. Esta refleja la señal de radio del emisor LoRa y lo modula para que el receptor identifique qué puerta o ventana se ha abierto.
Pero, ¿este proceso no consume energía? Pues sí, pero tan poca que no hace falta alimentar estos aparatos periféricos con una batería. En cambio, los investigadores del grupo NEPHOS han optado por utilizar un supercondensador. Estos componentes electrónicos que almacenan energía eléctrica —en cantidades menores que las baterías o las pilas— son más respetuosos con el medio ambiente en su fabricación y tienen una vida útil mucho más larga que las baterías de litio convencionales. Para mantener el supercondensador cargado, cada sensor incorpora una pequeña célula fotovoltaica, que funciona con luz ambiental —de la misma manera que lo hacen algunas calculadoras. Ya que la mayor parte del tiempo el sensor no registra movimiento y no tiene que activar las etiquetas RFID, el sistema puede acumular energía para la próxima intervención.
Aparte de diseñar el sistema, el equipo de la URV también lo ha implementado. Primero lo hicieron en el laboratorio, donde se testó el tiempo de carga del supercondensador y la capacidad de los sensores para operar en condiciones de poca luz. Las pruebas determinaron que el sistema presenta un consumo extremadamente bajo, haciendo posible el uso de luz ambiental para abastecer los aparatos. También pudieron comprobar que el supercondensador puede aportar energía al sistema durante más de veinte horas en ausencia total de luz, ofreciendo una protección sostenida en el tiempo. “Es un sistema invisible para el usuario, que una vez instalado funciona de manera autónoma y prácticamente indefinida”, celebra Marc Lázaro Martí, investigador del Departamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica y Automática de la URV.
Después, llegó la hora de trasladar el diseño al entorno doméstico. En esta prueba de campo, los investigadores validaron la resistencia del sistema a las interferencias y la capacidad de alcance de la tecnología LoRa, que resultó ser especialmente adecuada en aplicaciones interiores. El conjunto funcionó correctamente en distancias lineales de más de 80 metros y demostró ser totalmente fiable en un piso de 150 metros cuadrados. En cuanto a la escalabilidad del sistema, su potencial es sorprendente: soporta más de 600 sensores en el mismo canal de frecuencia, siendo capaz de identificar cada uno de ellos, una capacidad fuera del alcance de los sistemas convencionales. Cabría esperar que, con un rendimiento tan elevado, esta sea una tecnología cara. Nada más lejos de la realidad: el coste de cada sensor se sitúa alrededor de los veinte euros.
Más allá de la seguridad
Esta investigación, publicada en un artículo en la revista Scientific Reports, abre la puerta a la aplicación de sistemas invisibles para el usuario, con un mantenimiento casi nulo, a todo tipo de sectores. Se trata de una solución especialmente atractiva ante retos que requieren de instalaciones perpetuas o que se tienen que colocar en lugares de difícil acceso, imposibilitando un mantenimiento adecuado. Las posibilidades son casi infinitas: la monitorización del tráfico, agricultura inteligente, wearables o dispositivos médicos implantados, entre muchas otras. Si la tendencia a conectarlo todo ha llegado para quedarse, hay que encontrar soluciones como esta para hacerlo de la manera más sostenible y respetuosa con el medio ambiente posible.