Scalable end-to-end internet of things solutions for reverse supply chain management

Resumen

Inglés: The Earth is undergoing an unprecedented climate crisis where a shift to a Circular Economy model is required to minimize the economic and environmental impact of unsustainable production models and single-use consumption patterns. The incessant generation of Waste Electric and Electronic Equipment (WEEE) has become a global concern in this paradigm, not only because of its hazardous impact on human health and on the environment but also because of having become one of the fastest-growing waste streams to date. This is mostly due to increasing consumption patterns of small equipment in developing countries, shortening product life cycles, and societal unwillingness to acquire products that have been refurbished or remanufactured. Furthermore, the fact that numerous governmental initiatives are impulsing the adoption of the electric vehicle to reduce CO2 emissions is expected to translate into an exponentially-growing stream of end-of-life electric vehicle batteries that will need to be handled in an environmentally-sound manner in the coming years. Reverse supply chain management emerged as a key competence of modern supply chains, to enable the re-circulation of products and materials in closed-loop production systems by focusing on upstream products ¿those that flow from customers to providers¿ and their linked information. It is in this context where the adoption of Internet-of-Things (IoT) technologies can play an essential role by enabling the wireless monitoring and interconnection of all kinds of physical assets throughout the supply chain under negligible maintenance costs. In the IoT landscape, Low-Power Wide Area Networks have already consolidated as enablers of Machine-to-Machine communication over long distances ¿in the order of kilometres¿ under negligible energy consumption and cost, with the open LoRaWAN standard having raised special interest in both academia and industry. However, the recent exponential growth of IoT connectivity solutions and providers has led to a certain fragmentation of the IoT ecosystem, where end-to-end interoperability and scalability emerge as key challenges towards the actual adoption of IoT solutions in industries. To shed light on this matter, this Ph.D. thesis addresses the design, evaluation, and scalability-oriented improvement of end-to-end IoT solutions with a view to support reliable information management in different application domains of the reverse supply chain. To do so, first, a reference framework for the recovery of end-of-life products was designed from an IoT perspective, where the main end-of-life requirements and disassembly steps of a specific lithium-ion electric vehicle battery pack were studied and contextualized within a so-called Circular Supply Chain. In this framework, different communication-oriented hierarchy levels were identified, which motivated the further experimental end-to-end deployment of a heterogeneous IoT network for the monitoring and recovery of WEEE consisting of short-, intermediate-, and long-range communication flows implemented respectively by low-cost Radio-Frequency IDentification (RFID), Bluetooth Low Energy (BLE) and LoRaWAN radio modules. The deployment of a real-world heterogeneous IoT testbed served, on the one hand, as a basis for the experimental validation of power-aware algorithms leveraging BLE communications in industry-oriented scenarios and, on the other, for an end-to-end performance evaluation from a scalability-oriented perspective. This, in turn, motivated the proposal of a series of improvements on top of the LoRaWAN standard, whose real-world reliability is known to be hindered to a great extent under high-traffic conditions derived from large-scale deployments due to its Aloha-like channel-access strategy. Specifically, a synchronization technique was experimentally designed, proposed, and validated on top of LoRaWAN Class A end devices, which enabled the real-world implementation of low-overhead scheduling of LoRaWAN transmissions following a time-slotted schema for collision avoidance that, in turn, resulted in improvements of up to 29% in packet delivery ratios. As an additional network-size improvement, an end-to-end architecture was designed to enable application-oriented allocation of time-slotted resources in LoRaWAN networks through the integration of different multi-agent components, which was validated with a set of emulated LoRaWAN nodes in a use case for the collection and state-of-health monitoring of end-of-life electric vehicle batteries. This Ph.D. thesis represents a step forward in the adoption of heterogeneous end-to-end IoT networks for physical assets monitoring and context information gathering in large-scale industry-oriented scenarios, with reverse supply chain management and the recovery of end-of-life products being two specific use cases addressed as a means of showcasing the role of IoT adoption in the transition towards a Circular Economy built upon the sustainable development principles. Castellano: Actualmente, nos encontramos ante una crisis climática sin precedentes en la que debe priorizarse la transición hacia un modelo de Economía Circular en el que se minimice el impacto tanto económico como medioambiental de los actuales modelos insostenibles de producción y consumo. La creciente generación de Residuos de Aparatos Eléctricos y Electrónicos (WEEE por sus siglas en inglés) se ha convertido en una de las principales preocupaciones globales en este paradigma, no sólo por su naturaleza altamente perjudicial para la salud humana y del medio ambiente, sino también por haberse convertido en uno de los flujos de residuos que más rápido ha crecido en los últimos años. Esto se debe, sobre todo, al aumento de la demanda de pequeña electrónica de consumo en los países más desarrollados, así como al acortamiento de los ciclos de vida de dichos productos y a la falta de predisposición por parte de los ciudadanos para adquirir productos que hayan sido previamente reacondicionados o remanufacturados. Además, se estima que el hecho de que numerosas iniciativas gubernamentales estén impulsando la adopción del vehículo eléctrico como medida para la reducción de emisiones de CO2 desencadene la aparición masiva de baterías de vehículos eléctricos que alcancen el final de su vida útil y necesiten ser gestionadas de manera adecuada a lo largo de los próximos años. La gestión inversa de la cadena de suministro ha sido recientemente considerada como una competencia clave con vistas a la recirculación de productos y materiales en sistemas circulares de producción, la cual abarca la gestión de productos aguas arriba de la cadena de suministro ¿aquellos que se originan en el cliente y son enviados a los proveedores¿ junto con su información asociada. Es en este contexto donde la adopción de tecnologías de Internet de las Cosas (IoT por sus siglas en inglés) puede jugar un papel fundamental al permitir la monitorización e interconexión inalámbrica de todo tipo de objetos físicos a lo largo de la cadena de suministro mediante un coste prácticamente despreciable. En el ecosistema del IoT, las redes de largo alcance y baja potencia (LPWAN por sus siglas en inglés) se han consolidado como el pilar fundamental de las comunicaciones máquina a máquina en larga distancia ¿del orden de kilómetros¿ con un coste y consumo energéitco muy reducido, habiendo recibido el estándar abierto LoRaWAN especial atención tanto en el dominio académico como en el industrial. Sin embargo, el reciente crecimiento exponencial de soluciones y proveedores de conectividad IoT ha llevado a una cierta fragmentación del ecosistema IoT, donde la interoperabilidad y la escalabilidad integral surgen como retos clave para la adopción de soluciones IoT en la industria. En este paradigma surge esta tesis doctoral, la cual aborda el diseño, la evaluación y la mejora orientada a la escalabilidad de distintas soluciones IoT integrales con el fin de contribuir a la generación y gestión de la información en diferentes dominios de la cadena de suministro inversa. Para ello, en primer lugar, se ha llevado a cabo el diseño de un marco de referencia para la recuperación de productos al final de su vida útil desde una perspectiva de IoT en el que han sido estudiados los principales requisitos de recuperacion y el procedimiento para el desensamblaje de una batería específica de ión de litio para vehículos eléctricos, contextualizándose asimismo en torno a una propuesta de Cadena de Suministro Circular. En este marco de trabajo de referencia se han identificado distintos niveles jerárquicos de la información, lo que posteriormente ha motivado el despliegue experimental de una red heterogénea integral de IoT para la monitorización y recuperación de WEEE que contempla en flujos de comunicación de corto, intermedio y largo alcance implementados respectivamente por módulos de radio de bajo coste de las tecnologías RFID, Bluetooth Low Energy (BLE) y LoRaWAN. El despliegue real de un banco de pruebas heterogéneo basado en IoT ha sido utilizado, por una parte, como base para la validación experimental de algoritmos de ahorro de energía basados en la tecnología BLE orientados a uso industrial y, por otra, para la evaluación del rendimiento de extremo a extremo de las comunicaciones desde la perspectiva de la escalabilidad. Esto, a su vez, ha motivado la propuesta de una serie de mejoras sobre el estándar LoRaWAN, cuya fiabilidad se puede ver comprometida en condiciones de tráfico intenso en la red derivadas de despliegues a gran escala debido a su método de acceso al canal de tipo Aloha. En concreto, se ha diseñado, propuesto y validado experimentalmente un mecanismo de sincronización para dispositivos LoRaWAN de clase A, lo que ha posibilitado la implementación física de una técnica de planificación de las comunicaciones LoRaWAN basada en la asignación de ranuras de tiempo para evitar colisiones que ha demostrado mejoras experimentales de hasta un 29% en las tasas de entrega de paquetes. Como mejora adicional en cuanto al incremento del tamaño de la red manteniendo la fiabilidad alcanzada, se ha diseñado una arquitectura de extremo a extremo para permitir la asignación de recursos en redes LoRaWAN orientados a aplicaciones específicas a través de la integración de diferentes agentes software, que posteriormente ha sido validada con un conjunto de nodos LoRaWAN emulados en un caso de uso específico para la recuperación y monitorización del estado de salud de baterías de vehículos eléctricos al final de su vida útil. Esta tesis doctoral representa un paso adelante en la adopción de redes heterogéneas extremo a extremo de IoT para la monitorización de activos físicos y la recopilación de información contextual en escenarios de gran escala orientados a la industria, siendo la gestión de la cadena de suministro inversa y la recuperación de productos al final de su vida útil dos casos de uso específicos abordados con el fin de mostrar el papel que desempeña la adopción de IoT en la transición hacia una Economía Circular en base a los principios del desarrollo sostenible.