Diseño e implementación de una pasarela de comunicación inteligente para sensores inalámbricos en aplicaciones de refrigeración industrial

Abstract

Aquest Treball Final de Grau desenvolupa i valida un prototip funcional de sensòrica sense fils IoT orientat a refrigeració industrial i comercial, amb l’objectiu de monitoritzar temperatura i humitat minimitzant el manteniment i la complexitat de desplegament. La solució es basa en una xarxa Zigbee composta per un Sleepy End Device (SED) i un router d’extensió de cobertu-ra, tots dos alimentats mitjançant bateria externa, i integrats amb un gateway en Raspberry Pi per al registre i la visualització de dades.

La metodologia combina la definició de requisits i una arquitectura extrem a extrem amb la implementació del firmware sobre EFR32MG24 i la integració al gateway (Zigbee2MQTT, MQTT, InfluxDB i Grafana). La validació experi-mental inclou instrumentació de consum, comparació amb una sonda de re-ferència i proves en escenaris representatius (entorn controlat, semi-real i real).

Els resultats confirmen el funcionament end-to-end del sistema i un rendi-ment energètic destacat al SED, amb consums mitjans i en repòs de l’ordre de microampers, habilitant autonomies prolongades quan la connectivitat és estable. Es valida una cobertura superior al mínim objectiu incloent obstacles i una latència extrem a extrem de l’ordre de segons fins a la visualització.

Pel que fa a metrologia, la temperatura presenta un comportament adequat per a monitorització. En canvi, la humitat és consistent en condicions no ex-tremes, però mostra limitacions en fred sever, delimitant el rang d’ús quanti-tatiu sense calibració addicional. A més, el sistema incorpora supervisió de l’estat energètic del node (voltatge, estimació de percentatge restant i alarma de bateria baixa) per facilitar el manteniment preventiu.

Les proves en entorn controlat (habitatge), semi-real (laboratori d’AKO) i real (supermercat) verifiquen el funcionament en condicions adverses i la captura d’esdeveniments com obertures i reposició. En conjunt, el prototip compleix els objectius principals del projecte.

Este Trabajo Final de Grado desarrolla y valida un prototipo funcional de sensórica inalámbrica IoT orientado a refrigeración industrial y comercial, con el objetivo de monitorizar temperatura y humedad minimizando el man-tenimiento y la complejidad de despliegue. La solución se apoya en una red Zigbee compuesta por un Sleepy End Device (SED) y un router de extensión de cobertura, ambos alimentados mediante batería externa, e integrados con un gateway en Raspberry Pi para registro y visualización de datos.

La metodología combina la definición de requisitos y una arquitectura extre-mo a extremo con la implementación del firmware sobre EFR32MG24 y la in-tegración en el gateway (Zigbee2MQTT, MQTT, InfluxDB y Grafana). La va-lidación experimental incluye instrumentación de consumo, comparación con una sonda de referencia y pruebas en escenarios representativos (entorno controlado, semi-real y real).

Los resultados confirman el funcionamiento end-to-end del sistema y un ren-dimiento energético destacado en el SED, con consumos medios y en repo-so del orden de microamperios, habilitando autonomías prolongadas cuando la conectividad es estable. Se valida una cobertura superior al mínimo obje-tivo incluyendo obstáculos y una latencia extremo a extremo del orden de segundos hasta la visualización.

En metrología, la temperatura presenta un comportamiento adecuado para monitorización. En cambio, la humedad es consistente en condiciones no ex-tremas, pero muestra limitaciones en frío severo, delimitando el rango de uso cuantitativo sin calibración adicional. Además, el sistema incorpora su-pervisión del estado energético del nodo (voltaje, estimación de porcentaje restante y alarma de batería baja) para facilitar el mantenimiento preventivo.

Las pruebas en entorno controlado (vivienda), semi-real (laboratorio de AKO) y real (supermercado) verifican el funcionamiento en condiciones ad-versas y la captura de eventos como aperturas y reposición. En conjunto, el prototipo cumpl

This Bachelor’s Thesis develops and validates a functional prototype of an IoT wireless sensing system for industrial and commercial refrigeration, ai-ming to monitor temperature and humidity while minimizing maintenance and deployment complexity. The solution relies on a Zigbee network composed of a Sleepy End Device (SED) and a coverage-extending router, both powered by an external battery, integrated with a Raspberry Pi gateway for data log-ging and visualization.

The methodology combines requirements definition and an end-to-end archi-tecture with firmware implementation on the EFR32MG24 platform and inte-gration on the gateway (Zigbee2MQTT, MQTT, InfluxDB, and Grafana). Ex-perimental validation includes power-consumption instrumentation, compari-son against a reference probe, and tests across representative scenarios (controlled, semi-real, and real deployments).

Results confirm full end-to-end operation and outstanding energy performan-ce on the SED, achieving microamp-level average and idle consumption, enabling long battery life when connectivity remains stable. Coverage ex-ceeds the minimum target even with obstacles, and end-to-end latency re-mains on the order of seconds to dashboard visualization.

Regarding metrology, temperature behavior is suitable for monitoring purpo-ses. In contrast, humidity readings are consistent under non-extreme condi-tions but show limitations under severe cold, defining the quantitative opera-ting range without additional calibration. In addition, the system provides bat-tery-state monitoring (voltage, estimated remaining percentage, and low-battery alarm) to support preventive maintenance.

Tests in a controlled environment (home), a semi-real environment (AKO la-boratory), and a real deployment (supermarket) verify operation under adver-se conditions and capture events such as door openings and restocking. Overall, the prototype meets the main project objectives.