AmBox conecta sensores a blockchain para reforzar la trazabilidad alimentaria

Un grupo de investigadores presentó AmBox, un sistema que conecta sensores ambientales con una blockchain permisionada para reforzar la trazabilidad de alimentos perecederos. La propuesta busca registrar temperatura, humedad y presión de forma verificable, incluso cuando hay fallas de conectividad durante el transporte o almacenamiento.
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• AmBox enlaza dispositivos IoT con Hyperledger Fabric para registrar datos ambientales de forma auditable.
• El sistema funciona con un nodo basado en Raspberry Pi y motes con ESP32 que pueden seguir operando sin conexión.
• Las pruebas mostraron resiliencia ante cortes de red, detección de manipulación de datos y autonomía de hasta 51 horas en el mote.

La trazabilidad alimentaria se ha convertido en un punto crítico para una industria que depende de datos confiables sobre temperatura, humedad y otras variables ambientales desde la producción hasta el consumo. En productos perecederos, una desviación pequeña durante el almacenamiento o el transporte puede traducirse en deterioro, desperdicio y riesgos sanitarios.

En ese contexto, los investigadores João Miguel Guerreiro Fernandes, Samih Eisa y Miguel L. Pardal presentaron AmBox: Device-to-Blockchain Ambient Sensing for Food Traceability, un sistema diseñado para conectar sensores ambientales directamente con una blockchain y así reforzar la integridad, verificabilidad y resistencia a manipulaciones de los datos recolectados a lo largo de la cadena de suministro.

La propuesta apunta a un problema frecuente en el sector agroalimentario. Aunque hoy existen sensores baratos y redes IoT capaces de monitorear mercancía en tiempo real, la información suele quedar fragmentada entre distintas empresas y plataformas. Esa fragmentación puede generar inconsistencias, baja transparencia y disputas entre actores que necesitan una visión común del historial del producto.

AmBox intenta reducir esa dependencia de intermediarios al registrar la información en una blockchain permisionada. Según el trabajo, este enfoque permite compartir un historial auditable y resistente a alteraciones entre participantes autenticados, algo especialmente relevante en redes de suministro donde productores, transportistas, almacenes y distribuidores mantienen sistemas separados.

Cómo funciona AmBox

El sistema fue diseñado como una solución modular, portátil y de bajo costo para monitorear condiciones ambientales en cadenas agroalimentarias. Su objetivo es operar tanto en depósitos como en vehículos de transporte, registrando variables como temperatura, humedad y presión atmosférica, todas relevantes para preservar alimentos perecederos.

La arquitectura se organiza en tres capas. La primera es la capa de sensado, encargada de capturar los parámetros ambientales e incluso integrar módulos opcionales como GPS. Allí operan dos tipos de dispositivos: AmBox Node y AmBox Mote.

El AmBox Node es el dispositivo principal. Recolecta datos de sensores, realiza procesamiento local, almacena registros cuando no hay red y envía información firmada a la blockchain. Puede funcionar de manera independiente o como concentrador de varios motes. El AmBox Mote, en cambio, es un equipo de bajo consumo pensado para ampliar la granularidad espacial del monitoreo y enviar sus datos a un nodo cercano mediante comunicación de corto alcance.

Esa organización permite dos modos de despliegue. El primero es una configuración de un solo dispositivo, donde el nodo mide y reporta por sí mismo. El segundo es una configuración distribuida, donde un nodo agrega datos de varios motes. Con ello, el sistema puede adaptarse a escenarios pequeños, como una unidad de transporte, o a instalaciones más amplias como un almacén.

En la capa de procesamiento y almacenamiento, el nodo agrega datos recibidos desde sus sensores internos y desde los motes, realiza preprocesamiento cuando hace falta y guarda la información localmente durante períodos sin conectividad. Antes de subirla a la blockchain, cada entrada se firma digitalmente para garantizar integridad y no repudio.

La capa de integración blockchain es la responsable de enviar los registros firmados mediante contratos inteligentes. El trabajo eligió Hyperledger Fabric, una red permisionada orientada a entornos empresariales, donde los participantes son conocidos, autenticados y autorizados de antemano.

Hardware, software y comunicación

El prototipo del nodo se implementó con una Raspberry Pi 4 Model B con CPU ARM de 64 bits, 8 GB de RAM y una tarjeta microSD de 256 GB. Corre Raspberry Pi OS y usa un Sense HAT conectado por GPIO para medir temperatura, humedad relativa y presión barométrica. Para pruebas portátiles, el equipo se alimentó con una batería recargable de 10.000 mAh.

El mote se construyó sobre un microcontrolador ESP32 M5Stack Core, con 520 KB de SRAM y 16 MB de memoria flash, además de una microSD de 16 GB para almacenamiento local. Incorpora sensores externos conectados mediante interfaces compatibles con I2C, entre ellos un KY-001 de temperatura DS18B20 y un KY-015 de humedad DHT11. También se alimentó con una batería de 10.000 mAh.

En software, el nodo se desarrolló principalmente en TypeScript, con componentes auxiliares en Python para la interfaz con sensores. La aplicación corre sobre Node.js y expone endpoints HTTP mediante Express.js para configuración remota, comisionamiento y control de estado. El dispositivo puede arrancar en modo inactivo, modo heartbeat o modo monitoreo, y conserva su última configuración en un archivo JSON local.

El mote fue desarrollado en C++ con el framework Arduino y se comunica con el nodo por Bluetooth Low Energy, o BLE. No interactúa de forma directa con la blockchain ni con el servidor operador. Su función es recolectar, almacenar y transferir datos al nodo cuando la conectividad de corto alcance está disponible.

La red blockchain del prototipo se desplegó con Hyperledger Fabric v2.5, incluyendo autoridad certificadora, un orderer y dos organizaciones con un peer cada una, respaldadas por CouchDB. El chaincode fue escrito en TypeScript y los nodos se conectaron a la red mediante gRPC seguro con TLS, usando certificados X.509 y claves privadas almacenadas localmente.

Cada transacción incluye una firma digital generada en el dispositivo. El trabajo señala que los registros se firman con RSA-SHA256 y que la verificación se realiza en cadena con la clave pública correspondiente. Si alguien modifica la información después de la firma, la verificación falla y el contrato inteligente rechaza el dato.

Resultados de las pruebas

La evaluación se realizó en dos fases: validación por escenarios y análisis cuantitativo de desempeño. En la primera, los investigadores probaron una configuración con un solo nodo y otra distribuida con nodo más mote. El objetivo era medir resiliencia frente a fallas de conectividad, integridad de datos y sincronización segura.

En el despliegue de un solo dispositivo, el nodo recolectó temperatura, humedad y presión, y transmitió registros firmados directamente a la blockchain. Bajo conectividad estable, el sistema operó sin errores. Luego, los autores interrumpieron intencionalmente la conexión Wi-Fi durante períodos de 2 minutos, 15 minutos y 1 hora.

Durante esos cortes, el nodo siguió recolectando información y la guardó en almacenamiento local basado en JSON. Cuando volvió la conexión, el dispositivo retomó la comunicación con la blockchain y transmitió los registros pendientes en el orden temporal correcto. El estudio reporta que no hubo pérdida ni corrupción de datos.

También se hicieron pruebas de manipulación. Los investigadores modificaron manualmente campos de registros ya firmados, como valores de temperatura, antes del envío a la blockchain. En todos los casos, el chaincode detectó la inconsistencia y rechazó las entradas alteradas, validando así el esquema de integridad criptográfica.

En la configuración distribuida, el mote recolectó datos ambientales y los transmitió al nodo vía BLE. Para probar tolerancia a fallas locales, se separaron físicamente ambos dispositivos durante 2 minutos, 15 minutos y 1 hora. Mientras no hubo enlace, el mote continuó muestreando y almacenando información en local.

Cuando el nodo volvió a estar dentro del alcance, la reconexión se produjo de forma automática y todos los datos almacenados se recuperaron sin pérdidas, duplicaciones ni problemas de orden. Después, el nodo los remitió a la blockchain. Según los autores, este resultado confirma consistencia eventual incluso ante interrupciones temporales en la comunicación de corto alcance.

Latencia, autonomía y limitaciones

La segunda fase midió precisión de sensores, latencia de comunicación y consumo energético. En una comparación de 5 horas contra sensores de referencia calibrados, el nodo reportó temperaturas consistentemente más altas. Los autores atribuyeron esa desviación a la interferencia térmica del CPU de la Raspberry Pi.

El mote, por su parte, mostró lecturas de temperatura mucho más cercanas a las referencias, favorecido por sus sensores externos y por una menor generación interna de calor. En humedad ocurrió una tendencia similar, con el nodo registrando valores ligeramente menores, probablemente influenciados por el efecto térmico. En presión, las lecturas se mantuvieron consistentes con diferencias menores de calibración.

En latencia, la comunicación entre nodo y blockchain se midió con 40 intercambios por escenario. En la red local, el tiempo promedio fue de 148,07 ms, con mínimo de 70 ms y máximo de 803 ms. En un entorno remoto, la latencia promedio subió a 627,94 ms, con mínimo de 343 ms y máximo de 1.992 ms.

La comunicación BLE entre nodo y mote fue bastante más ágil. El promedio fue de 46,07 ms, con un mínimo de 27 ms y un máximo de 109 ms. Esto refuerza la idea de usar un esquema jerárquico donde dispositivos de bajo consumo envían datos localmente y solo el nodo se ocupa de la interacción con la blockchain.

En autonomía energética, ambos equipos superaron el requisito mínimo de 10 horas de operación independiente. Con una batería de 10.000 mAh, el nodo funcionó durante unas 13 horas y el mote durante unas 51 horas. La diferencia expone una ventaja clara del hardware más liviano, aunque también deja margen para optimizar el consumo del nodo en futuras versiones.

El trabajo incluyó además un caso real en un viaje en autobús de 4 horas entre Loulé y Lisboa. Un AmBox Node colocado dentro de una maleta recolectó datos cada 5 minutos e intentó subir registros a la blockchain. La conectividad Wi-Fi fue limitada durante gran parte del trayecto, pero el sistema mantuvo el almacenamiento local y sincronizó toda la información cuando la red volvió a estar disponible.

Tras unas 5 horas de operación en ese recorrido, la batería todavía conservaba 69% de carga. Sin embargo, las temperaturas registradas fueron mayores de lo esperado, de nuevo por la interferencia térmica de la Raspberry Pi y el entorno cerrado de la maleta. Los autores plantean que futuras revisiones deberían mejorar el aislamiento térmico o mover los sensores fuera del cuerpo principal del nodo.

Más allá del caso específico de cerezas, que el estudio usó como ejemplo exigente por su corta vida útil y sus estrictos requisitos ambientales, la propuesta sugiere una ruta práctica para registrar condiciones de almacenamiento y transporte con menos intermediarios y con una base de confianza compartida entre actores logísticos.

En su conclusión, los investigadores sostienen que AmBox demostró capacidad para operar bajo conectividad intermitente, preservar integridad de datos y sincronizar información ambiental con Hyperledger Fabric de manera confiable. Entre los próximos pasos mencionan mejorar precisión y eficiencia energética, reforzar la seguridad con protecciones de hardware y facilitar la integración con sistemas de gestión ya usados en cadenas de suministro.

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