Red Meshocan de comunicaciones inalámbricas en cueva.

Introducción:

La 5º Regla de la filosofía Visión Zero es asegurar la seguridad tecnológica. El punto 6 es Mejorar las Cualificaciones.

En nuestra declaración de valores la formación continua está destinada a actualizar y mejorar los conocimientos, habilidades y actitudes de los participantes de los rescates, ante la evolución científica y tecnológica y las demandas y necesidades, tanto sociales como del propio sistema de socorro. Y mostramos nuestro compromiso en la promoción del intercambio de conocimientos y de experiencias.

En este contexto damos a conocer un nuevo proyecto que hemos denominado Meshocan y está destinado a promover un sistema de comunicaciones inalámbricas escalable para su uso en la espeleología y el espeleosocorro.

Antecedentes:

Las comunicaciones en cueva durante una exploración de larga duración o en un rescate es un tema complicado. Inicialmente se solucionaba con el tendido de un cable genefónico. Con el avance de la tecnología han ido apareciendo distintos métodos inalámbricos que o bien trabajaban con frecuencias muy cortas (NICOLA) o bien inyectan la señal en la roca (TEDRA), utilizando ésta como conductor de la señal. Estas últimas presentan una ventaja de facilidad y ligereza, pero un gran inconveniente de fiabilidad y alcance (siempre menos de 1 km.)

Los nuevos avances tecnológicos de comunicaciones han permitido la aparición de tres tecnologías de comunicación inalámbrico, dos de ellas muy conocidas por el público en general (bluetooth y wi-fi) y otra menos conocida como LoRa.

Bluetooth es una tecnología de punto a punto (conexión entre dos teléfonos móviles por ejemplo) que estén muy próximos entre ellos.

Encambio wi-fi permite, a partir de un router, conectar diferentes equipos en una red en estrella a una distancia algo mayor.

Las necesidades de la industria, la agricultura o el medio ambiente han favorecido la aparición de la tecnología LoRa (Long Range) largo alcance. Este es un eufemismo pues, ciertamente, en comparación de wi-fi y Bluetooth, alcanzar 2,5 km es largo alcance, pero no son cientos o miles de kilómetros. (con antenas unidireccionales y una topografía apropiada se puede alcanzar los 30 km)

El desarrollo de la tecnología LoRa comenzó alrededor del año 2009 y se consolidó a nivel comercial unos años después. Aquí te resumo su evolución:

Línea de tiempo resumida

Año	Evento clave
2009	Los ingenieros franceses Nicolas Sornin, Olivier Seller y François Sforza comienzan a desarrollar una técnica de modulación basada en Chirp Spread Spectrum (CSS), originalmente para comunicaciones militares.
2012	Se funda Cycleo, una empresa francesa que patenta esta tecnología bajo el nombre “LoRa”.
2012–2013	Semtech Corporation (EE. UU.) compra Cycleo y adquiere sus patentes, marcando el inicio de la era comercial de LoRa.
2015	Se crea la LoRa Alliance, una organización global para estandarizar y promover la red LoRaWAN (el protocolo de red sobre LoRa).
2016 en adelante	Surgen implementaciones abiertas y proyectos comunitarios, como Meshtastic, Helium, The Things Network, etc.

En el año 2022 compañías mineras comienzan a interesarse por esta tecnología para el uso subterráneo.

En octubre del 2023 la compañía polaca SYBET presenta en la revista de minas australiana The Australian Mining Review su sistema de comunicaciones SWAR system

A finales del año 2023 un equipo británico comienza un proyecto que denominan “Vangelis” a través del cual desarrollan un sistema de comunicaciones subterráneo basado en la tecnología LoRa partiendo de cero. Crean sus propias radios LoRa ensamblando componentes hasta crear un producto funcional pero que requiere de gran pericia electrónica. La Fundación ESOCAN con su proyecto de Red Meshocan pretende simplificar la configuración de la red Vangelis a través de radios LoRa ya existentes en el mercado configuradas para su uso subterráneo.

foto proyecto Vangelis

LoRa

LoRa utiliza bandas de radiofrecuencia UHF de subgigahercios sin licencia (en Europa las frecuencias autorizadas son la 433MHz y la 868 MHz)

El módulo de radio LoRa es un tipo de radio módem para transmitir datos a baja velocidad pero de largo alcance basado en Sx1262 de Semtech. Puede alcanzar varios kilómetros de distancia. Es un módulo transceptor de bajo consumo diseñado para operar en las bandas sin licencia ISM (Industrial Scientific Medical) (Wikipedia)

Emite con 0,5 w de potencia.

Este proyecto se basa en hardware bajo licencia Arduino, que desarrolla software y hardware libres, así como una comunidad internacional que diseña y manufactura placas de desarrollo de hardware para construir dispositivos digitales y dispositivos interactivos que puedan detectar y controlar objetos del mundo real. Arduino se enfoca en acercar y facilitar el uso de la electrónica y programación de sistemas embebidos en proyectos multidisciplinares. Los productos son distribuidos como hardware y software libre, bajo la Licencia Pública General de GNU (GPL) y la Licencia Pública General Reducida de GNU (LGPL), permitiendo la manufactura de las placas Arduino y distribución del software por cualquier individuo. Las placas Arduino están disponibles comercialmente en forma de placas ensambladas o también en forma de kits hazlo tú mismo (Wikipedia)

A su vez los nodos que utilizamos se controlan con software Meshtastic®, que es un protocolo inalámbrico descentralizado que le permite utilizar radios LoRa de bajo costo como una plataforma de comunicación fuera de la red en áreas sin infraestructura de comunicaciones existente o confiable. Este proyecto es 100% impulsado por la comunidad y de código abierto. Permite que las personas con dispositivos adecuados se comuniquen sin necesidad de una operadora de telefonía móvil o Internet. Es ideal para uso en exteriores, emergencias y lugares sin opciones de comunicación habituales.

La tecnología LoRa prioriza la comunicación a larga distancia con bajo consumo de energía. Es bueno para enviar pequeños paquetes de datos a largas distancias sin tener que cambiar las baterías con frecuencia. Wi-Fi proporciona internet más rápido en distancias cortas pero consume más energía. En conclusión, elegir entre LoRa y Wi-Fi depende de si tu proyecto necesita velocidad (Wi-Fi) o distancia y eficiencia (LoRa).

Sin embargo, donde la cobertura de comunicaciones es escasa o incluso inexistente y donde no siempre hay acceso a la energía eléctrica, las tecnologías que pueden ayudar a sobrellevar estas carencias son bienvenidas.

En este sentido, la tecnología LoRa soluciona tanto el alcance de la red, como la falta de energía eléctrica. Es que LoRa permite comunicar dispositivos hasta 30 kms en campo abierto, con un mínimo consumo de energía en los nodos remotos.

LoRa es una tecnología de modulación del tipo spread spectrum (amplio espectro). Esto le permite tolerar ruido, caminos múltiples de señal y el efecto Doppler, mientras mantiene muy bajo el consumo de energía. El costo de lograr esto es el ancho de banda, que es muy bajo comparado con otras tecnologías inalámbricas. (Rodrigo Hernandez)

Meshtastic

Cada radio LoRa tiene un chip LoRa y otro Bluetooth por el que se comunica con el teléfono móvil del usuario (así como un puerto USB-C para conectar a un PC). Un nodo solo puede enlazarse con un teléfono. Además un nodo puede no estar enlazado al teléfono y servir de puente en la red.

Meshtastic es una red en malla de mensajes cortos (máximo 200 caracteres) y datos ligeros que funciona con radios LoRa sin cobertura de telefonía móvil, sin wi-fi y sin infraestructura central, compuesta por nodos que todos escuchan y reenvían lo que oyen. Ejemplo: imaginemos que estamos en casa con nuestra radio LoRa y queremos enviar un mensaje a otra persona con acceso utilizando la red Mestastic de nuestra comunidad. A partir de nuestro nodo enviamos el mensaje, y este irá saltando de nodo en nodo hasta llegar al destinatario.

Cuando envías un mensaje desde la aplicación Meshtastic, este se retransmite a la radio mediante Bluetooth, Wi-Fi/Ethernet o conexión serie. La radio emite el mensaje y, si no recibe confirmación de ningún otro dispositivo tras un tiempo determinado, lo retransmitirá hasta tres veces si no contacta con otro nodo antes.

Los mensajes en Meshtastic no son instantáneos, aunque pueden ser muy rápidos dependiendo de las condiciones de la red. Cada paquete se envía con un intervalo y confirmaciones para evitar interferencias o pérdidas, así que hay un pequeño retardo.

No son instantáneos como en internet, pero sí lo suficientemente rápidos para mensajería de emergencia, chat básico, o datos de sensores, incluso sin cobertura celular.

La velocidad de entrega depende de varios factores:

Distancia entre nodos

Cuanto más lejos, más lento (el paquete viaja más saltos).
Número de hops (saltos)

Cada salto añade unos 1–3 segundos aprox.
Ancho de banda y configuración LoRa (region, modem preset)

Afecta la velocidad de transmisión (entre ~100 bps y ~20 kbps).

Puesto que cada nodo recibe y rebota el mensaje, si no se le pone ningún tipo de restricción este mensaje podría saturar la red al entrar en bucles infinitos

Por este motivo cuando una radio receptora captura un paquete, comprueba si ya ha escuchado ese mensaje. Si lo ha escuchado, lo ignora. Si no lo ha escuchado, lo retransmite.

Por cada mensaje que una radio retransmite, reduce en uno el «límite de saltos». Cuando una radio recibe un paquete con un límite de saltos de cero, no retransmite el mensaje.

Dados los diversos casos de uso y escenarios que admite Meshtastic, la mayor parte del protocolo se basa en la inundación , lo que significa que cada nodo retransmite un paquete que recibe hasta alcanzar un límite de saltos determinado. Sin embargo, una diferencia importante en Meshtastic es que, antes de retransmitir, un nodo escucha durante un breve periodo para comprobar si otro nodo ya ha retransmitido el paquete. En caso afirmativo, no lo retransmitirá. Por lo tanto, «inundación controlada» es un término más adecuado.

El principio es el siguiente: si un nodo de la malla recibe un paquete con un HopLimit distinto de cero, lo decrementará e intentará retransmitirlo en nombre del nodo emisor original. Para facilitar que los nodos más alejados inunden el mensaje y, por lo tanto, este llegue a mayor distancia, la ventana de contención para un mensaje de inundación depende de la relación señal/ruido (SNR) del paquete recibido. El tamaño de la ventana de contención es pequeño para una SNR baja, de modo que los nodos más alejados tienen más probabilidades de inundar primero y los nodos más cercanos que detecten esto se abstendrán de hacerlo. Una excepción a esta regla son los nodos configurados en modo ROUTER de retransmisión REPEATER, que tienen mayor prioridad para retransmitir y lo harán incluso si detectan que otro nodo está retransmitiendo.

Esta limitación en el número de saltos (máximo 7) se puede mejorar con la topología de la malla diseñada sin bucles, trabajando con la red «Mosquito», programando los nodos en Zero Hop Repeater y una asignación de roles a las radios correcta. Además, la comunidad científica que da soporte a esta comunidad está trabajando para poder comunicar en línea y P2P sin esta limitación.

La radio almacena una pequeña cantidad de paquetes (alrededor de 30) en su memoria para cuando no esté conectada a una aplicación cliente. Si la memoria se llena, reemplazará los paquetes más antiguos únicamente con los mensajes de texto entrantes más recientes.

A nivel de radio, una malla Meshtastic es un conjunto de nodos que comparten el mismo factor de propagación LoRa, frecuencia central y ancho de banda. Un nodo solo puede pertenecer a una malla de radio; no verá ni responderá a mensajes de nodos que utilicen valores diferentes para esta configuración. Para que se forme una malla, los nodos deben compartir los mismos valores.

Estos valores se agrupan en «preajustes» que se pueden seleccionar fácilmente en la sección de configuración de LoRa. Los preajustes facilitan que los nodos configuren los mismos parámetros de radio.

Sobre esta red de radio se encuentran los canales. Una red lógica se forma mediante un canal con un nombre y una clave de cifrado específicos. El canal predeterminado en una red de radio es el canal 0, con un nombre en blanco y la clave de cifrado AQ==.

Los nodos pueden pertenecer a un máximo de 8 canales en la red de radio. Se puede crear un canal personalizado para uso de un grupo específico (CANALESOCAN). Solo los nodos configurados con el mismo nombre de canal y clave de cifrado podrán leer y visualizar los mensajes en dicho canal. Sin embargo, todos los nodos de la red de radio recibirán y podrán retransmitir mensajes (según su función), independientemente de la configuración del canal. En resumen, un nodo que no pertenece a tu canal puede hacer de puente en la red para transmitir tu mensaje sin tener acceso a él.

Composición de la red Meshocan:

Como se ha comentado al principio de este artículo el objetivo de esta red es, poder transmitir en “tiempo real”, información desde el interior de la cavidad, hasta el Puesto de Mando Avanzado durante un rescate. Para ello es preciso solucionar las comunicaciones desde el PMA hasta boca de cueva, y desde ésta hasta el lugar del accidente o a lo largo de la ruta seguida por los socorristas (o lo más lejos posible de la boca de entrada).

Comunicaciones desde el PMA hasta boca de cueva:

Aquí tenemos tres opciones, una es utilizar los medios convencionales de comunicaciones, bien sea a través de telefonía o emisoras de mano, lo que supone que exista cobertura en ambos puntos, las otras dos opciones están basadas en radios LoRa, bien sea a través de la red que instalemos, o a través de portales MQTT, uno en el PMA y otro en boca de cueva. Con esta solución, la comunicación del PMA a boca de cueva se hace a través de internet con lo que nos ahorramos hops y el tendido de la misma.

La primera obliga a tener a un socorrista en boca de cueva que haga de enlace interior exterior. Esto en general supone una reinterpretación de la información por parte de este socorrista y además evita una interlocución directa entre el coordinador y el jefe de equipo.

La segunda requiere nodos intermedios entre boca de cueva y PMA si no hay visual directa.

La tercera necesita conexión a internet en ambos puntos y una puerta de enlace, que pueden ser dos teléfonos móviles con tarifa plana de datos.

Red Meshocan:

A continuación, vamos a describir nuestra red. estamos en fase de ensayo y error y vamos cambiando componentes y configuraciones, por lo que de momento no puede considerarse como diseño final.

PMA:

En el PMA, que se instalará allí donde haya conexión a internet. Instalamos un ordenador portátil con el navegador Edge en el que abrimos el portal https://client.meshtastic.org/messages

Hemos visto que el portal necesita conexión para arrancar, pero una vez abierto no lo necesita.

A este ordenador le conectamos a través de su puerto USB un nodo, en nuestro caso un Heltec V3 con una antena expandida para LoRa 868 MHz de 5 dBi compatible con Arduino SIM 868 gsm.

Es necesario que el ordenador portátil cuente con los drivers necesarios para convertir un puerto USB en un puerto COM. Esto lo veremos en el apartado configuración de la red.

Este nodo cuenta con un amplificador de señal con el que poder sacar una antena fuera del edificio y darle un mayor alcance.

La alimentación a esta placa la hacemos a través de un puerto USB-C conectado a una batería de respaldo o si hay toma de corriente desde un cargador de móvil USB-C

En el simulacro nacional llevado a cabo en el Coto Txomin de Karrantza vimos como los mensajes bajaban desde la boca de la mina hasta el PMA a través del repetidor, pero no entraban en el edificio debido a sus gruesos muros. Cuando sacamos el nodo al jardín, esto se solucionó. Con esta antena, podemos mantener el nodo en el edificio y ganar alcance.

Para llegar a boca de cueva, si hay visual, no necesitamos nodos intermedios, sin embargo esto es poco frecuente en nuestra orografía. Por ello debemos poner nodos intermedios.

La forma mas eficiente de definir donde colocar los nodos intermedios es mediante el cálculo de cuencas visuales utilizando QGIS. Haremos un anexo explicando este método.

En el ejercicio de Lanestosa (coto Txomin) calculamos la cuenca visual desde el frontón municipal

Y la cuenca visual desde la boca mina del Coto Txomin

Con la superposición de ambas cuencas visuales obtenemos las áreas que comparten cuenca visual y por lo tanto intervisibilidad. En estas áreas podemos poner el repetidor, que recibirá la señal de Lanestosa y la envía al coto Txomin y viceversa. En caso de que no existieran áreas comunes habría que buscar otro punto común que comparta cuencas visuales.

Estas cuencas las hemos calculado para un radio de 2,5 km. Que es la distancia máxima con la que podemos garantizar en cualquier caso la comunicación con las antenas que estamos utilizando.

Con esta red exterior tenemos señal en el nodo de boca de cueva. Si tenemos sitio para una carpa y red eléctrica para un ordenador portátil pondremos otro portal https://client.meshtastic.org/messages

Red en el interior de la cueva:

A partir del nodo de boca de cueva debemos ir colocando tantos nodos como sea necesario en función de la morfología de las galerías para ir llevando la señal al punto mas alejado posible de la boca.

Para determinar el punto en el cual instalar el siguiente nodo, que tenga enlace al anterior utilizamos una radio LYLI-GO T-DECK

Esta radio viene ya con su teclado, antena y batería integrado todo en un único dispositivo. No tiene protección IP alguna, por lo que requiere un cuidado especial en entornos húmedos.

Una de las utilidades que nos ha gustado de él es que tiene un escáner de nodos, y lo que es mas importante un escáner de señal que nos permite avanzar por la galería de la cueva y cuando consideramos que la calidad de la señal ya no es buena, retrocedemos un poco y colocamos el siguiente nodo. Conforme perdemos calidad de señal aumenta el tiempo de conexión, y también el número de hops. Esto mismo se puede conseguir con la configuración de los nodos en su variable del «Módulo de prueba de rango» esto lo veremos mas adelante.

Tras la experiencia del simulacro nacional hemos decidido cambar las antenas a todos los nodos, sustituyendo la que traen de serie por otras de mayor alcance. Esto supone un ahorro estimado del 40 % de nodos.

En el primer capítulo se ha comentado que esta tecnología sólo permite 1+7+1 hops, por lo que podríamos pensar que si la red comienza en la boca de la cueva sólo podemos llegar allí donde nos lo permitan 7 nodos. Sin embargo, esto puede ser obviado parcialmente con una correcta configuración de la topología de la malla, con la asignación correcta de los roles de los nodos o programando los nodos en Zero Hop Repeater. Esta configuración se sale del alcance de este artículo y será objeto de otro estudio.

Hasta aquí hemos comentado como llevamos la señal desde el puesto de mando hasta el punto más alejado de la cueva posible. Ahora vamos a comentar como se conectan a la red, tanto el coordinador, como el controlador de boca de cueva como los jefes de equipo.

En primer lugar para esta fase de aprendizaje hemos integrado la batería, antena y placa en una caja estanca IP65 de 90x90x42 mm. Con un fondo de espuma amortiguadora y una gruesa capa de espuma para sujetar los componentes.

Cada nodo va identificado por su número de serie fijado por el fabricante.

El peso de este nodo es de 180 gr. Y su coste unos 40 €

Conexión a la red:

Una vez tendida la red un jefe de equipo puede conectarse a la misma a través de su teléfono móvil asociado a su nodo asignado. En nuestro caso hemos ensayado varias opciones.

Nodo individualizado + teléfono móvil del jefe de equipo (u otro móvil sin tarjeta SIM pero conexión bluetooth) La radio LoRa la hemos integrado en una carcasa desarrollada a través de una impresora 3D. No tiene protección IP por lo que ha de ser transportada por la cueva en un bidón estanco junto al teléfono asociado.

El peso de este nodo es de 73 gr.

Otra opción que no hemos implementado es dotar a los jefes de equipo de terminales LYLI GO T-deck. El nodo anterior cuesta aproximadamente 35 € (más el teléfono móvil) mientras que este terminal cuesta 90 € y no necesita teléfono móvil. Su peso es de 153 gr. Esta es una solución fácil de implementar pero algo mas cara.

Para evitar que el jefe de equipo tenga que usar su teléfono móvil o llevar uno específicamente para este cometido hemos integrado una radio LoRa + un móvil de segunda mano + batería de respaldo en una pequeña maleta Peli.