Desarrollo de un Sistema de Monitoreo y Control Basado en MQTT para Redes de Sensores y Actuadores

Abstract

Este proyecto se centra en el diseño e implementación de un sistema de control y monitoreo orientado hacia una gran red de sensores distribuidos sobre una amplia superficie, con aplicaciones en el ámbito del Internet de las Cosas (IoT). El objetivo principal es controlar las vibraciones en seguidores solares de una planta fotovoltaica, con el fin de prevenir daños estructurales provocados por resonancias generadas por el viento. Para ello, se emplearon microcontroladores ESP32 junto con sensores acelerómetros ADXL345 y módulos LoRa, conformando una arquitectura IoT de bajo consumo energético. Tras un análisis comparativo de los diferentes protocolos de comunicación, se seleccionaron LoRaWAN para la transmisión de datos a larga distancia y MQTT para la gestión de información en la nube, estableciendo así una arquitectura eficiente y escalable. El sistema incluye tanto el diseño de hardware y software como simulaciones realizadas con la herramienta LoRaWAN-SIM, además de pruebas físicas en distintos entornos. En las simulaciones, con hasta 1000 nodos distribuidos en 500 hectáreas, se evaluaron escenarios con 1 a 5 gateways, observándose mejoras progresivas en la tasa de entrega de paquetes, el consumo energético medio y el Spreading Factor. Las pruebas físicas confirmaron un rendimiento notable de los componentes, alcanzando altas tasas de entrega incluso a distancias de hasta 2.5 km en entornos urbanos sin línea de visión directa. El sistema demostró una autonomía estimada de hasta 7 años por nodo con baterías de 3000 mAh. En conclusión, se logró una solución viable y adaptable para la monitorización a gran escala, con especial énfasis en la eficiencia energética y fiabilidad operativa.

This project focuses on the design and implementation of a control and monitoring system aimed at a large network of sensors distributed over a wide area, with applications in the Internet of Things (IoT) domain. The primary objective is to control vibrations in solar trackers of a photovoltaic plant, in order to prevent structural damage caused by wind-induced resonances. To achieve this, ESP32 microcontrollers were used along with ADXL345 accelerometer sensors and LoRa modules, forming a low-power IoT architecture. After a comparative analysis of various communication protocols, LoRaWAN was selected for long-range data transmission, and MQTT for cloud data management, thus establishing an efficient and scalable architecture. The system includes both hardware and software design, as well as simulations performed with the LoRaWAN-SIM tool, alongside physical tests in different environments. In the simulations, involving up to 1000 nodes distributed over 500 hectares, scenarios with between 1 and 5 gateways were evaluated, showing progressive improvements in packet delivery rate, average energy consumption, and spreading factor. Physical tests confirmed notable component performance, achieving high delivery rates even at distances up to 2.5 km in urban environments without direct line of sight. The system demonstrated an estimated autonomy of up to 7 years per node with 3000 mAh batteries. In conclusion, a viable and adaptable solution for large-scale monitoring was achieved, with special emphasis on energy efficiency and operational reliability.