BleTree : Protocolo para extender la cobertura de BLE en redes de sensores con aplicación al monitoreo de calidad del aire

Abstract

Esta tesis comienza con la implementación de redes Bluetooth Low Energy (BLE) y BLE Mesh para el desarrollo de un sistema para el monitoreo de la calidad del aire en ambientes interiores mediante la medición de concentraciones de CO2, temperatura y humedad. Esta aplicación se llevó a cabo en el marco de un proyecto interdisciplinario enfocado en el estudio de dichas variables en centros educativos. Para ello, se desplegaron tres redes IoT capaces de realizar mediciones de estas variables: una red destinada a evaluar el nivel de CO2 en distintos puntos de un salón, y dos redes, una en cada escuela, para medir el CO2 en todos los salones. El sistema implementado emplea dos protocolos de comunicación distintos según el tipo de aplicación. Para el análisis del CO2 en diferentes puntos de un mismo salón se utilizó el protocolo BLE, debido a su simplicidad y alcance suficiente. En cambio, para la medición en todos los salones de dos escuelas se empleó BLE Mesh, dado su mayor alcance y capacidad de cubrir áreas extensas. El hardware se basó en el microcontrolador nRF52840, alimentado por tres pilas AA, e integró sensores de bajo consumo para las variables mencionadas. Se fabricaron 65 dispositivos con un costo unitario aproximado de 57 dólares. El firmware fue desarrollado utilizando nRF Connect SDK y Zephyr. Los datos recolectados se almacenan en una Raspberry Pi, que actúa como nodo base y servidor web, utilizando el framework Flask, permitiendo la visualización en tiempo real de las condiciones ambientales. Se instalaron tablets conectadas al servidor web para visualizar los niveles de CO2 y permitir la toma de decisiones sobre ventilación en tiempo real. Durante la implementación de estas redes se identificaron diversas limitaciones, lo que motivó la exploración y el desarrollo de un protocolo de bajo consumo denominado BLETree. Este protocolo, basado en la tecnología BLE, está orientado a extender su cobertura para aplicaciones IoT manteniendo un bajo consumo energético y una estructura escalable. Este protocolo surge como respuesta a las limitaciones observadas en implementaciones previas de redes IoT basadas en BLE y BLE Mesh, donde la primera presenta un alcance restringido debido a su topología en estrella, mientras que la segunda implica un consumo elevado al requerir nodos repetidores con sus radios permanentemente activas. La propuesta combina las ventajas de ambas tecnologías mediante una arquitectura en árbol que permite operar todos los nodos con alimentación a baterías, facilitando su uso en entornos con disponibilidad energética limitada. El protocolo fue desarrollado también sobre nRF Connect SDK y Zephyr, empleando una estructura modular organizada en capas funcionales de conexión, descubrimiento, enrutamiento y transporte. La formación del árbol se basa en los conceptos de multirrol y multilink, permitiendo que cada nodo actúe simultáneamente como central y periférico. Esta característica posibilita la creación dinámica de una red jerárquica en la que los nodos se conectan según criterios de distancia, números de saltos, calidad de enlace (RSSI) y número de conexiones activas. El proceso de establecimiento y mantenimiento de la topología fue diseñado para minimizar el tiempo de radio activa, reduciendo significativamente el consumo energético. Comparando las tres implementaciones, BLE, BLE Mesh y BLETree, los resultados experimentales muestran que BLETree alcanza una cobertura significativamente mayor que BLE, manteniendo un consumo energético del mismo orden de magnitud. El consumo promedio medido fue de aproximadamente 84 µA en los nodos intermedios, 11 µA en los nodos hoja y 54 µA en el nodo raíz, valores muy inferiores a los observados en BLE Mesh, donde los nodos repetidores superan los 5 mA. Si bien la topología en árbol introduce una mayor latencia, esta se mantiene dentro de niveles adecuados para aplicaciones de monitoreo ambiental con baja frecuencia de muestreo. Los resultados obtenidos confirman que BLETree puede operar de forma estable y autosuficiente, validando su potencial como solución de comunicación IoT eficiente en energía y de cobertura extendida. Finalmente, de manera independiente a las tres implementaciones mencionadas, se recopiló una base de datos con mediciones continuas de CO2, temperatura y humedad durante más de dos años. Esta base ha sido utilizada por el equipo de Mecánica de los Fluidos para realizar diversos análisis y publicaciones científicas. Dichos antecedentes constituyeron la base y motivación para el desarrollo del protocolo BLETree, consolidando una línea de investigación centrada en redes IoT de bajo consumo y monitoreo ambiental.