Diseño y desarrollo de un prototipo de dispositivo de internet de las cosas (Iot) para la medición de variables forestales

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Universidad Distrital Francisco José de Caldas

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Resumen

This work presents the design and development of FRED-01, an autonomous forest IoT prototype aimed at environmental and dendrometric monitoring in trees. The system integrates sensors for CO2 concentration, temperature, humidity, and diameter at breast height (DBH), combined with a LoRa communication module and an ESP32-S3 microcontroller, enabling data transmission without the need for LoRaWAN infrastructure. The firmware was developed under a FreeRTOS-based architecture, focusing on energy efficiency through the use of deep sleep mode and peripheral control via MOSFET, ensuring long-term operation powered solely by rechargeable batteries. The sensed data are encrypted using AES-GCM, guaranteeing confidentiality and integrity before being transmitted to a web server built with Django and PostgreSQL. Functional field tests of communication and sensing achieved an effective range of approximately 850 meters, with stable performance over extended periods. The prototype proved to be a low-cost, autonomous, and secure alternative to commercial solutions, with potential for scaling into distributed forest sensor networks and future integration of artificial intelligence for early detection of environmental events.

Descripción

El presente trabajo describe el diseño y desarrollo del prototipo FRED-01, un dispositivo IoT forestal autónomo orientado al monitoreo ambiental y dendrométrico en árboles. El sistema integra sensores de CO2, temperatura, humedad y diámetro a la altura del pecho (DAP), junto con un módulo de comunicación LoRa y un microcontrolador ESP32-S3, permitiendo la transmisión de datos sin necesidad de infraestructura LoRaWAN. El firmware fue desarrollado bajo una arquitectura basada en FreeRTOS, con enfoque en eficiencia energética mediante el uso del modo deep sleep y control de periféricos a través de MOSFET, lo que garantiza una operación prolongada alimentada únicamente por baterías recargables. Los datos sensados se cifran con AES-GCM, asegurando confidencialidad e integridad antes de ser enviados a un servidor web construido con Django y PostgreSQL. Se realizaron pruebas funcionales de comunicación y sensado en campo, obteniéndose un alcance de aproximadamente 850 metros y un funcionamiento estable durante periodos prolongados. El prototipo demostró ser una alternativa de bajo costo, autónoma y segura frente a soluciones comerciales, con potencial para escalar hacia redes forestales distribuidas y futuras integraciones de inteligencia artificial para la detección temprana de eventos ambientales.

Palabras clave

IoT forestal, ESP32, LoRa, Sensado ambiental, Cifrado AES-GCM, Eficiencia energética

Materias

Ingeniería Electrónica -- Tesis y disertaciones académicas

Citación