Proyecto ESP32 con GPS, LoRa y sensores para trazabilidad

Un proyecto ESP32 para rastreo fue el punto de partida de este desarrollo de ECK, que integró localización, comunicación inalámbrica, sensores y operación a batería en una sola placa.

El proyecto reunió en una sola placa funciones de localización, comunicación inalámbrica, monitoreo de temperatura, detección de movimiento y operación a batería.

La propuesta era que el equipo registrara los eventos ocurridos durante el transporte, el almacenamiento o el movimiento de materiales sensibles, entregando información que luego pudiera analizar el sistema del cliente.

Arquitectura del proyecto ESP32

El cliente ya conocía la aplicación y trabajaba con el ESP32, pero necesitaba desarrollar el hardware para transformar el concepto en un producto electrónico integrado.

Entre la información que podía registrarse estaba:

• la localización del equipo;
• movimientos e impactos;
• la temperatura del material monitoreado;
• la temperatura y la humedad ambiente;
• la permanencia fuera de una determinada condición de almacenamiento;
• eventos ocurridos durante el transporte o el movimiento.

Esta arquitectura permite, por ejemplo, seguir materiales que deben mantenerse dentro de ciertas condiciones de temperatura y registrar situaciones que puedan comprometer su almacenamiento o transporte.

Arquitectura electrónica

El proyecto usó el ESP32 como principal plataforma de procesamiento y comunicación.

El ESP32 también ofrece conectividad Wi-Fi y Bluetooth, lo que permite que el dispositivo se comunique con otros equipos o con la infraestructura disponible en el lugar.

Para la localización se usó el módulo Quectel L80, que integra receptor GPS y antena patch en el propio módulo, reduciendo el área necesaria en la placa.

La ubicación del módulo GPS en la placa exigió atención a las fuentes de interferencia de radiofrecuencia presentes en el propio equipo.

Comunicación LoRa / soporte para LoRaWAN

Para la comunicación de largo alcance, el hardware se diseñó con un módulo RFM95 de HopeRF.

Este transceptor usa modulación LoRa y puede emplearse tanto en enlaces LoRa propietarios como en aplicaciones basadas en LoRaWAN, según la implementación del firmware y la infraestructura que use el sistema.

En este proyecto, ECK se encargó del desarrollo del hardware. El firmware y la definición final del protocolo de comunicación quedaron a cargo del cliente, por lo que no es posible afirmar si la aplicación final usó LoRa propietario o LoRaWAN.

Desde el punto de vista del hardware, el proyecto quedó preparado para este tipo de comunicación de largo alcance y bajo consumo.

Detección de movimiento

El equipo también incorporó un MPU6050, que combina acelerómetro y giroscopio.

Con él, el sistema puede detectar movimientos del equipo y registrar eventos asociados al transporte o la manipulación del producto monitoreado.

Esa información puede combinarse con los demás sensores para formar un historial de las condiciones a las que estuvo sometido el equipo o el material.

Monitoreo de temperatura

Para la medición externa de temperatura se usó el DS18B20, un sensor digital con interfaz 1-Wire.

El componente opera en un amplio rango de temperatura, de –55 °C a +125 °C, con una precisión especificada de ±0,5 °C entre –10 °C y +85 °C.

El uso de una interfaz digital facilita instalar el sensor en un cable y reduce la cantidad de señales necesarias para comunicarse con el procesador.

Temperatura y humedad ambiente

Para la medición local de temperatura y humedad se usó el HTU21D, un sensor digital con interfaz I²C.

El componente entrega mediciones de humedad relativa y temperatura en un encapsulado compacto y tiene bajo consumo de energía, algo importante en equipos alimentados a batería.

Alimentación y gestión de la batería

Como el equipo tenía que operar en forma móvil, una parte importante del desarrollo fue la gestión de energía.

Se usó un circuito integrado cargador de batería con función power path.

Esta arquitectura permite alimentar el sistema directamente desde la fuente externa mientras gestiona al mismo tiempo la carga de la batería.

Una de las ventajas es que el equipo puede seguir funcionando aunque la batería esté totalmente descargada, siempre que haya alimentación externa disponible.

La interfaz USB se usó tanto para programar el ESP32 como para alimentar y cargar la batería.

Principales desafíos del desarrollo

El principal desafío fue integrar todos los subsistemas en una placa de dimensiones reducidas.

En un mismo hardware había:

• ESP32 con Wi-Fi y Bluetooth;
• receptor GPS con antena integrada;
• radio LoRa;
• acelerómetro y giroscopio;
• sensores de temperatura y humedad;
• gestión y carga de batería;
• interfaz USB.

La disposición de los componentes tuvo que considerar al mismo tiempo requisitos eléctricos, térmicos y de radiofrecuencia.

La ubicación del módulo GPS, por ejemplo, debía reducir la influencia de las fuentes de interferencia presentes en la propia placa.

Del mismo modo, el layout de las interfaces de RF y la ubicación de los sensores exigieron especial atención para que cada subsistema pudiera operar correctamente dentro del espacio disponible.

Resultado

El hardware fue desarrollado, integrado y aprobado por el cliente.

El proyecto es un ejemplo de cómo distintas tecnologías pueden combinarse en un solo producto electrónico: procesamiento embebido, sensores, gestión de energía, Wi-Fi, Bluetooth, GPS y comunicación LoRa.

Más que elegir componentes, desarrollar un producto de este tipo exige que todos esos subsistemas funcionen en conjunto dentro de las limitaciones de espacio, consumo, interferencia y costo que impone la aplicación.

Conozca también el servicio de desarrollo de productos electrónicos de ECK.