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Wireless sensor networks for structural health monitoring applications

Redes inalámbricas de sensores aplicadas al monitoreo de integridad estructural

Gustavo Meneses gustavo.meneses(AT)usbmed.edu.co

Universidad de San Buenaventura Medellín – Colombia

Artículo de investigación

ABSTRACT In this paper is presented a general view on the integration of wireless sensor networks, based on the communication standard IEEE 802.15.4, into applications involving structural health monitoring of infrastructure such as tunnels, buildings and highways. A three-layer architecture communication is proposed; it ranges from the scope of personal area networks, passing through local area networks to wide and metropolitan area networks. In order to illustrate the implementation of the lower layer of the proposed architecture, two prototypes of developed nodes are shown: a network coordinator and a sensor node. In this particular case, it is shown how an inclinometer can be placed on walls, columns or surfaces of different types of works in order to establish displacements which could indicate structural changes requiring the schedule of servicing tasks, analysis and alarm reports.

Keywords: Wireless sensor networks, Structural Health Monitoring (SHM), IEEE 802.15.4 standard, MiWi protocol, Inertial Measurement Unit.

RESUMEN Se presenta una visión general sobre la integración de redes inalámbricas de sensores, basadas en el estándar de comunicación IEEE 802.15.4, en aplicaciones de monitoreo de integridad estructural sobre obras tales como túneles, edificios y carreteras. Se plantea una propuesta de arquitectura de comunicaciones de tres niveles que cubre el ámbito de las redes de área personal, pasando por las redes de área local hasta llegar al rango amplio y metropolitano. Para ilustrar la implementación a nivel de la capa inferior de la arquitectura propuesta se muestran dos prototipos de nodos desarrollados que corresponden al coordinador de red y a un nodo sensor. En el caso específico se muestra como un inclinómetro puede ubicarse sobre muros, columnas o superficies de diferentes tipos de obras para determinar desplazamientos que indiquen variaciones estructurales que sugieran la programación de tareas de atención, análisis o la generación de alarmas.

Palabras clave: Redes inalámbricas de sensores, monitoreo de integridad estructural, estándar IEEE 802.15.4, protocolo MiWi, unidad de medición inercial.

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1 Introducción

Las obras de infraestructura tales como puentes, edificios, túneles, carreteras, entre otras, son elementos importantes para el desarrollo rural y urbano en todos los países, y por aspectos estratégicos en cuanto a la seguridad de las personas, el comercio, la prestación de servicios públicos, las redes de transporte, y otros tantos. El uso permanente en el tiempo, los esfuerzos ante cargas estáticas y dinámicas, el desgaste natural de los materiales y la influencia de los cambios en el entorno, las condiciones climáticas y los fenómenos naturales influyen en su vida útil, llevándolas en ocasiones a situaciones extremas de colapsos y fallos que pueden tener consecuencias trágicas. Adicionalmente, errores en el diseño pueden tener también malos resultados [1].

En la última década dos campos de aplicación de la ingeniería, relacionados con la telemetría y la instrumentación electrónica, han tenido un desarrollo considerable: las redes inalámbricas de sensores y el monitoreo de integridad estructural (Structural Health Monitoring SHM) [2]. Las primeras se benefician de diferentes estándares de comunicación, principalmente

de la familia IEEE 802.XX y de los avances tecnológicos en áreas como los sistemas microelectromecánicos (Microelectromechanical Systems MEMS), la recolección de energía (Energy Harvesting-Scavenging) y los microcontroladores de altas prestaciones de procesamiento con bajo consumo de energía [3]. Paralelamente, los sistemas de monitoreo de integridad estructural aprovechan las oportunidades que ofrece la gama de sensores y técnicas de análisis y procesamiento de señales disponibles, para entregar información que permita determinar acciones preventivas o correctivas derivadas del estado físico de las infraestructuras [2, 4].

2 Redes inalámbricas de sensores

Estas redes aprovechan las características de los llamados sensores inteligentes, y potencian sus posibilidades a partir de la integración de prestaciones de trabajo en red. Las comunicaciones inalámbricas aumentan la flexibilidad y la escalabilidad de los grupos de sensores que se despliegan sobre un área determinada para captar variables de interés. En su estructura genérica un nodo sensor está constituido por un bloque de cómputo o unidad central de

Actas de Ingeniería Vol. 1, pp. 119-126, 2015

http://fundacioniai.org/actas

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procesamiento (CPU), una etapa de energía/alimentación, un elemento sensor, elementos de memoria RAM/ROM/EEPROM y un transceptor. Adicionalmente, se pueden tener bloques de captación de energía, hojas de datos electrónicas o sistemas micro-electro-mecánicos [3], como se observa en la Figura 1.

2.1 Estándares de comunicación para redes inalámbricas de sensores

En su forma tradicional las redes inalámbricas de sensores se basan principalmente en estándares de comunicación de la familia IEEE 802.XX, y se encuentran otros formulados específicamente para tal fin, como el IEEE 802.15.4, que define todo lo relacionado con las redes inalámbricas de área personal de bajo tráfico (Low Rate Wireless Personal Area Networks LR-WPAN). Tal vez Zigbee sea la versión más conocida para la implementación práctica del estándar IEEE 802.15.4, sin embargo, existen otras como Xbee de Digi y MiWi de Microchip [5]. La operación en la banda de 2.4 GHz es la más común, con un rango aproximado de un centenar de metros y una tasa de bits de 250 kbps sobre 15 canales posibles.

Figura 1: Nodo sensor inalámbrico

2.2 El protocolo MiWi de Microchip

Las principales características del protocolo MiWi son la facilidad de implementación sobre microcontroladores de 8, 16 o 32 bits y su aspecto liviano, en comparación con Zigbee (Tabla 1) en cuanto al consumo de memoria de programa [5].

Además de los transceptores, las comunicaciones bajo MiWi se sustentan sobre dos bases funcionales: una formulación llamada MiApp y otra denominada MiMAC, que rigen los aspectos de la capa de aplicación y la capa física del protocolo respectivamente [7, 8]. Adicionalmente, el protocolo MiWi es royaltie-free y a diferencia de Zigbee el número máximo de nodos de las redes que soporta es menor, 1024 nodos, que suele ser suficiente para la mayoría de aplicaciones.

Tabla 1. Memoria de programa MiWi vs Zigbee [6]

MiWi Zigbee

Memoria de programa (Kbyte)

Coordinador <16kbyte 37-96 kbyte Router <16kbyte 30-64 kbyte Dispositivo Terminal

2-8 kbyte 18-40 kbyte

A su vez, el protocolo MiWi ofrece variantes MiWi P2P y MiWi Pro, que poseen características definidas que varían en cuanto al número máximo de nodos, las topologías cubiertas y aspectos como el enrutamiento, entre otros. MiWi P2P [9] cubre aplicaciones que requieran redes con pocos nodos y baja complejidad, menos de 127 nodos, mientras que MiWi pro puede

albergar más de 8.000 nodos. En el caso específico del protocolo MiWi P2P, elegido para la arquitectura propuesta en este trabajo, opera en topologías estrella y peer-to-peer (Figura 2) con redes de un salto, de modo que el rango está determinado por el alcance del radio transceptor. Al igual que en IEEE 802.15.4 se trabaja con dispositivos de dos categorías: de funciones completas (Full-Function Devices FFD) y de funciones reducidas (Reduced Function Devices RFD), que se reflejan en roles de coordinadores de red y dispositivos terminales [5, 9].

3 Monitoreo de integridad estructural

La integridad estructural de las obras civiles u otras obras de infraestructura basadas en concreto, acero y demás materiales, es un ítem importante para ingenieros civiles, arquitectos, geólogos y otros profesionales. La información captada por redes de sensores cableadas e inalámbricas provee elementos de análisis y decisión que pueden marcar la diferencia sobre la seguridad y la vida de muchas personas. Adicionalmente, el monitoreo continuo permite optimizar las labores de mantenimiento e incluso realizar predicciones sobre la respuesta de las obras ante eventos que supongan un riesgo y que pueda limitar su operación y vida útil [10].

Figura 2: Topologías estrella y peer-to-peer bajo el protocolo

MiWi P2P

Actualmente se encuentran implementaciones de monitoreo estructural en diferentes ciudades de Europa, Estados Unidos y Japón, que se ocupan de monitorear el comportamiento de los parámetros estructurales de puentes, túneles, carreteras, edificios y otras obras [11]. Igualmente, se encuentran soluciones de monitoreo de integridad estructural en edificios y monumentos históricos, lo que evidencia el dinamismo y crecimiento en este campo de aplicación, que se deriva de especialidades como la telemetría y la instrumentación electrónica y geológica.

3.1 Adquisición de datos en aplicaciones de monitoreo de integridad estructural

Los datos recolectados por los sensores desplegados en el campo usualmente deben ser sometidos a procesamiento y análisis en dispositivos como computadores, o almacenados en bases de datos para su posterior procesamiento. Dependiendo de la complejidad de la estructura monitoreada, el número de sensores y de variables bajo supervisión, se puede tener escenarios de diferente complejidad que plantean retos especiales en cuanto al proceso de adquisición de datos. Si bien es posible lo que se denomina procesamiento en el mismo nodo (on-node processing), usualmente la información de mayor valor se deriva de técnicas como la fusión de datos y de sensores, que requieren un nivel de procesamiento, almacenamiento y transmisión superior al que ofrece un nodo de red.

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3.2 Sensores y variables

En la Tabla 2 se muestra algunas de las variables captadas y algunos de los sensores comúnmente utilizados en aplicaciones de monitoreo de integridad estructural.

Tabla 2: Sensores y variables de las aplicaciones de monitoreo de integridad estructural [12]

Sensores Variables Inclinómetros Acelerómetros Galgas extensométricas Sensores de humedad Sensores de temperatura Piezómetros

Inclinación Desplazamiento Socavación Fracturas Ruido Vibración Filtraciones

La utilización de acelerómetros basados en diferentes principios y tecnologías como sistemas micro-electro-mecánicos y fibras ópticas [13] es recurrente. Además, la ubicación, bien sea en ambientes interiores, exteriores, enterrados o incrustados sobre muros u otro tipo de superficies también determina el tipo de sensor a utilizar. Por eso es que para una misma variable se pueden encontrar diferentes sensores, que se emplean dependiendo del entorno de la aplicación. Otros aspectos, tales como el tipo de respuesta, la resolución e incluso el costo, pueden determinar la elección de uno u otro sensor. La densidad de sensores por unidad de área es un aspecto importante a tener en cuenta, porque está ligada directamente con la complejidad que puede representar el manejo de las comunicaciones. Es importante recordar que el estado de algunas variables, especialmente las que revisten complejidad, se determina a partir de los datos recolectados por varios tipos de sensores, por lo que la relación no siempre es uno a uno.

3.3 Comunicaciones

Las redes tradicionales de sensores de tipo cableado no están excluidas de las aplicaciones de monitoreo de integridad estructural, el uso de formatos de transmisión tradicionales y buses de campo es totalmente válido. Sin embargo, en muchas situaciones y por cuestiones de flexibilidad, escalabilidad y costos, es mejor adoptar esquemas inalámbricos de comunicación. Este trabajo se centra en una propuesta de arquitectura mixta para cubrir las comunicaciones en aplicaciones de monitoreo de integridad estructural en entornos urbanos. Se propone un despliegue de red inalámbrica de sensores en el campo, soportada por nodos sensores y un coordinador de red que, a su vez, se apoya en gateways que proveen conectividad hacia redes de infraestructura cableadas y no-cableadas basadas en los diferentes estándares de la familia IEEE 802.XX, y cubriendo el rango de las redes de área local y metropolitano. Se contempla el uso de redundancia de comunicaciones apoyado en comunicaciones móviles soportadas en infraestructuras tradicionales como GSM.

4 La arquitectura propuesta

Se presenta una propuesta de arquitectura de comunicaciones para aplicaciones de monitoreo de integridad estructural en entornos urbanos en Colombia, que se basa en principios de operación similares a los de

la plataforma Dexternet [14], e igualmente en las modificaciones y adaptaciones realizadas para la plataforma EnViBo [15]. Con esta ultima plataforma se realizaron pruebas de desempeño que mostraron buenos resultados, y a partir de la experiencia se considera que este funcionamiento puede ser replicado en diferentes tipos de aplicaciones de monitoreo con redes inalámbricas de sensores.

En el nivel inferior de la arquitectura propuesta se encuentra un conjunto de nodos sensores, agrupados en una red inalámbrica que adopta el estándar IEEE 802.15.4, específicamente el protocolo MiWi P2P, para cubrir la transmisión de los datos captados por los sensores desplegados sobre las obras de infraestructura monitoreadas. Luego se tiene un nivel intermedio que tiene al coordinador de red. En este nivel es posible visualizar los datos en una interfaz que se ejecuta en un computador y que recibe los datos recolectados por el coordinador vía serial/USB, bien sea de manera cableada o a través de RFCOMM utilizando un gateway Bluetooth. Adicionalmente, existe la posibilidad de tener en el coordinador una salida vía WiFi hacia otras redes o dispositivos. En el nivel superior se tienen opciones de conectividad a redes que operan sobre infraestructuras consolidadas mediante módulos Ethernet, que permiten interacción en Intranets e Internet, o a través de módulos GSM con redes de telefonía móvil. La arquitectura propuesta se observa en la Figura 3.

Mediante esta arquitectura se puede tener visualización de los datos recolectados por los nodos sensores en computadores, teléfonos inteligentes (smarpthones) o tablets. La utilización de aplicaciones desarrolladas para sistemas operativos, tales como Android o de lenguajes de programación para páginas web, permite esta funcionalidad. Igualmente, es posible alimentar bases de datos y aprovechar funcionalidades como correos electrónicos y mensajes de texto para enviar alertas o mensajes programados periódicamente. La integración de las diferentes capas permite el tránsito de los datos por redes de área personal, redes de área local y redes de área amplia y metropolitana.

Figura 3: Arquitectura de tres niveles para integración de

redes inalámbricas de sensores en aplicaciones de monitoreo de integridad estructural.

Como se describe más adelante, este tipo de arquitectura podría adaptarse, por ejemplo, a las obras consideradas en estado crítico o de riesgo potencial en la ciudad de Medellín, y articularse con sistemas gubernamentales de alerta temprana y gestión de esfuerzos y recursos de prevención y control, como el Sistema de Alerta Temprana de Medellín y del Valle de Aburra SIATA [16]. De esta forma podrían coordinarse mejor las acciones para manejar situaciones que puedan poner en peligro la vida e integridad de las personas que habitan en su área de influencia.

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2.1 Coordinador de red y nodos sensores

La Figura 4 muestra los bloques básicos que tiene un nodo en el nivel inferior de la arquitectura propuesta. Los bloques punteados son opcionales y se pueden agregar dependiendo de las características y el diseño de la aplicación de monitoreo de integridad estructural. Tanto en los nodos sensores como en el coordinador de red existe la opción de implementar almacenamiento local de datos, por medio de EEPROM o medios extraíbles, y de implementar recolección de energía con módulos solares fotovoltaicos. En los nodos se puede agregar un módulo Bluetooth de bajo consumo de energía, como gateway para establecer conectividad con dispositivos que soporten el estándar IEEE 802.15.1 (smartphones, tablets o computadores). También puede adicionarse un módulo WiFi, que es recomendado para el coordinador de red por cuestiones de tamaño, consumo de energía y capacidades de procesamiento, necesarias para garantizar la coexistencia de varios estándares de comunicación en una misma unidad de red.

Figura 4: Nodo inalámbrico básico, módulos principales y

complementarios

2.2 Conectividad hacia otras redes

Mediante la adición de módulos Ethernet o GSM se pueden proveer posibilidades de conexión hacia redes de telefonía móvil y redes basadas en TCP/IP. Esta conectividad permite extender el rango de alcance para la transmisión de los datos, pasando de decenas y centenares de metros al orden de kilómetros. La redundancia de comunicaciones es una característica deseable e incluso necesaria en los sistemas de telemetría modernos, puesto que incrementa la fiabilidad de las soluciones implementadas y multiplica las posibilidades de visualización y recepción de notificaciones, incluso se puede tener opciones de telemando cuando sea necesario.

El rango de alcance, el alto grado de ubicuidad en ambientes urbanos y el grado de madurez y estabilidad de servicios como internet y la telefonía móvil, facilitan la disponibilidad de tránsito de datos de medición, alarmas y notificaciones por estas redes, sin que represente un incremento significativo en los costos de la solución implementada. En todos los casos no es necesario llegar al rango de las redes amplias y metropolitanas, porque en algunas situaciones la cobertura a nivel de área personal y local es suficiente para cubrir los requerimientos de monitoreo.

3 Prototipos de nodo sensor y coordinador para una aplicación de monitoreo de integridad estructural

Se presentan los diseños de dos prototipos de nodos: un nodo sensor genérico y un nodo coordinador

de red, que utilizan el protocolo MiWi P2P como base de sus comunicaciones. Los datos aportados por los nodos sensores, ubicados sobre los muros u otras superficies de las obras de infraestructura, sirven para determinar desplazamientos que pueden indicar fallas estructurales debidas a hundimientos, socavación de las fundaciones, movimientos de tierra, sismos, entre otros. Con el establecimiento de valores de referencia con rangos de variabilidad preestablecidos como normales, se puede establecer alarmas o puntos de alerta para notificar al personal encargado: ingenieros, arquitectos, organismos de atención y prevención de desastres, o similares.

3.1 Nodo sensor basado en inclinómetro biaxial

En la Figura 5 se muestra un prototipo desarrollado para monitorear inclinación en los ejes x, y, que se basa en un inclinómetro biaxial SCA121T-D03 con un rango de medición de +/- 90°. El nodo sensor utiliza un microcontrolador de 8 bits (PIC18F4620) [17] y un transceptor MiWi MRF24J40MA. La unidad se alimenta con baterías recargables de litio-ion de 3.7 voltios, que alimentan todo el circuito (Figura 6). Periódicamente se transmiten las lecturas de la inclinación en los dos ejes al nodo coordinador, etiquetando los datos para facilitar su posterior procesamiento en una interfaz de visualización desarrollada como un instrumento virtual de Labview.

Figura 5: Diseño (izquierda) y tarjeta de circuito impreso de nodo sensor genérico (derecha)

Figura 6: Prototipo de nodo sensor inalámbrico basado en

inclinómetro biaxial para fijación en muro

Utilizando el modo sleep del microcontrolador y cesando la actividad del transceptor MiWi, en los periodos que no se realizan transmisiones el nodo se pone en modo de consumo reducido.

3.2 Prototipo de nodo coordinador de red de área personal

El coordinador de la red de área personal se implementó utilizando un microcontrolador de 16 bits (PIC24FJ128GA010) [18] y un transceptor MiWi MRF24J40MB como elementos centrales sobre una

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tarjeta de desarrollo Explorer 16 [19]. Como se observa en la Figura 7 se ha integrado un gateway Bluetooth y una tarjeta SD al nodo coordinador, que permiten hacer almacenamiento local de datos. La transferencia de los datos hacia la interfaz de visualización, que se ejecuta con un computador con Labview, puede hacerse vía serial/USB o RFComm con Bluetooth. También es posible transferir datos vía RFComm a consolas de puertos seriales virtuales que se ejecuten en tabletas o teléfonos inteligentes, o de manera más elaborada en aplicaciones desarrolladas para dichos dispositivos. El firmware que se ejecuta en los dos prototipos mostrados se basa en los recursos y herramientas de Microchip denominados MPLAB IDE, Application Libraries y MiWi Stack, que han sido utilizados, adaptados, modificados e intervenidos según los requerimientos puntuales de la aplicación que se desea ilustrar.

Figura 7: Prototipo de nodo coordinador de red

implementado sobre la tarjeta de desarrollo Explorer16 de Microchip [17]

La utilización de gateways permite integrar las comunicaciones de la aplicación de monitoreo en el nivel intermedio de la arquitectura con otras redes de área personal bajo el estándar IEEE 802.15.1, y con redes WLAN bajo el estándar IEEE 802.11. Esta integración permite el reenvío de los datos recogidos por los sensores desplegados in situ y su visualización a través de dispositivos que incorporan este tipo de recepción/transmisión bajo estos estándares. Desde la capa intermedia y a través de los dispositivos antes mencionados, se puede impulsar el tránsito de los datos por otras redes a través del enlace, por ejemplo, de servicios como Internet, dado que en algunos casos estará habilitada esa opción de navegación.

Adicionalmente, si se incorpora un dispositivo como un modem GSM, se puede reenviar datos por redes de telefonía móvil utilizando servicios como el de mensajes de texto (SMS). Este tipo de interfaces permite acceder a la capa superior de la arquitectura con posibilidades de cobertura a nivel metropolitano. De manera complementaria está la opción de acceder a puertos RJ45 habilitados para TCP/IP, que permite igualmente la retransmisión de datos a destinos remotos en redes locales cableadas o hacia direcciones externas a través de servidores.

En la Figura 8 se describen tres opciones de módulos que pueden ser integrados al nodo coordinador, como gateways en el nivel intermedio de la arquitectura. Todos presentan características que un momento dado pueden ser consideradas como ventajas o desventajas, al considerar aspectos como el alcance y la facilidad de integración al firmware que se ejecuta en dicho nodo.

Figura 8: Prototipo de nodo coordinador de red y opciones de

módulos para integración de gateway Bluetooth o WiFi

La Tabla 3 muestra un comparativo entre las tres opciones de gateway. Se muestran dos módulos WiFi, uno controlado vía SPI y otro serial, y un módulo Bluetooth.

Tabla 3: Comparación de prestaciones de diferentes opciones de dispositivos gateways

El módulo MRF24WB0MA que alberga el transceptor IEEE 802.11 presenta una complejidad especial de integración, debida a la cantidad de archivos involucrados en el proyecto de MPLAB que lo hace operativo. En la práctica esto resulta en la integración de dos proyectos en uno, abarcando una amplia cantidad de archivos con extensión c y h, además de un número considerable de modificaciones y adaptaciones en el código.

Como se mencionó antes, también está la opción del módulo Ethernet ENC28J60, pero tiene la desventaja de requerir infraestructura cableada, que no siempre está disponible en todos los sitios durante el despliegue de las redes de medición. En las zonas en las que no es posible tener cobertura WiFi o Ethernet para enlaces en el nivel intermedio o superior de la arquitectura, se puede considerar la opción de incluir radio-módems que operen en bandas ISM, como la de 900MHz, para extender el rango de cobertura de las comunicaciones en la aplicación de monitoreo de integridad estructural.

3.3 Interfaz gráfica de usuario

Figura 9: Disposición de elementos para la realización de

pruebas de variación angular y de detección de perturbaciones debidas a vibración

Después de recibir las lecturas de los ángulos de inclinación desde el nodo sensor, se procede a su visualización, registro, reporte, almacenamiento,

Dispositivo Ventajas Desventajas Módulo Bluetooth Fácil integración Corto alcance Tarjeta MRF24WB0MA Mayor Alcance Difícil Integración

Módulo WiFly RN-171 Mayor Alcance Dificultad de integración media

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procesamiento, retransmisión y análisis. Para esto se puede utilizar Labview, debido a que posee las herramientas que permiten realizar estas tareas. La Figura 9 se muestra la ubicación del sensor y en la Figura 10 se observa el registro visual de una prueba de medición con el inclinómetro de muro, en la que se introdujeron vibraciones y cambios de ángulo en sentido horario y anti-horario, en periodos espaciados de cinco segundos durante una sesión de un minuto.

Figura 10: Registro de las variaciones de inclinómetro biaxial

generado desde un waveform chart de Labview

3.4 La plataforma Ubidots

Ubidots es una plataforma que nace en el entorno del internet de las cosas, apalancada como una start-up y concebida desde la región antioqueña. Actualmente, esta plataforma permite monitorear a distancia diferentes objetos, fenómenos y variables utilizando tarjetas de desarrollo Microchip y tarjetas open hardware Arduino y Raspberry Pi, por mencionar algunas [20]. Labview también se puede integrar a Ubidots mediante instrumentos virtuales, que se apoyan en las funciones get y post para recuperar y publicar datos desde una ubicación en la web, como se observa en la Figura 11.

Figura 11: Instrumentos virtuales para la captura y

publicación de variables en páginas web a través de las funciones get y post

A partir del conocimiento y la experticia de personas especializadas en el análisis y seguimiento de los parámetros que revelan la condición de las diferentes obras de infraestructura, se pueden adoptar diferentes esquemas de procesamiento de datos y de señales, que arrojaran información de valor para emitir juicios sobre la integridad de una obra especifica. Existen técnicas avanzadas y herramientas de modelación, predicción e inferencia que pueden hacer uso del volumen de datos que entrega una red de sensores desplegada sobre una obra.

En la Figura 12 se observa el contexto completo de desarrollo de una aplicación de monitoreo de integridad estructural, que integra una red inalámbrica de sensores desplegada sobre una obra bajo monitoreo, con un instrumento virtual desarrollado en Labview con la plataforma Ubidots y el Sistema de Alerta Temprana SIATA. La suma de recursos y capacidades planteada en este trabajo puede resultar en una sinergia interesante, que optimizaría los resultados en la prevención, control y atención de desastres relacionados con las obras de infraestructura de Medellín y del Valle de Aburra.

Figura 12: Escenario global de una aplicación de monitoreo

de integridad estructural en el área del Valle de Aburra

4 Análisis de resultados

Con base en las pruebas realizadas con dos nodos, un nodo sensor y un coordinador de red de área personal, y bajo el protocolo MiWi P2P, se realizaron ajustes sobre un instrumento virtual (VI) que sirve para registrar las variaciones de inclinación provocadas. Algunas oscilaciones derivadas de aspectos de sincronización entre la transferencia de datos entre el nodo coordinador y el VI de Labview pueden ser observadas en la Figura 13 y han sido corregidas. Adicionalmente, se han realizado pruebas de operación continua del nodo sensor, en las que se obtuvieron funcionamientos por periodos de más de un día al alimentar el nodo con un par de baterías de Li-ion de 3.7 voltios conectadas en serie. En un día se pueden transmitir entre 1.200 y 1.400 paquetes con transmisiones periódicas separadas por un minuto aproximadamente y teniendo en cuenta algunos eventos de desconexión-reconexión de los nodos y también algunos paquetes pérdidos o defectuosos.

Figura 13: Registro de variaciones de inclinación (angulares)

sobre el eje X de un inclinómetro biaxial en un instrumento virtual de Labview

En pruebas complementarias realizadas con baterías recargables tradiciones de plomo-ácido de 12 voltios, se alcanzaron periodos de transmisión continua por más de una semana de operación y 10.000 paquetes transmitidos. Dichas pruebas se han realizado en

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interiores, pero se espera variabilidad en los resultados cuando se efectúen pruebas en ambientes exteriores debida a la influencia de variables como la temperatura sobre el desempeño de las baterías.

Las baterías recargables de NiMH también se probaron y arrojaron resultados comparables a los obtenidos con las de de Li-ion, la variabilidad observada depende del estado de carga de las baterías al comenzar las pruebas, lo cual se considera normal al igual que la influencia de la cantidad de ciclos de carga-descarga que han afrontado. Más detalles acerca de cómo se han realizado estas pruebas y la descripción de algunos resultados adicionales se pueden consultar en [21].

Actualmente se lleva a cabo un proyecto piloto para comenzar tareas de monitoreo de integridad sobre la infraestructura de una empresa de la ciudad de Medellín. En este proyecto se intregarán redes inalámbricas de sensores en el rango de área personal utilizando MiWi P2P; igualmente se adoptará un esquema de comunicaciones similar al indicado por la plataforma propuesta en este trabajo. Los detalles de esta experiencia se compartirán una vez concluya la jecusión y se alcancen los objetivos establecidos en el mismo.

5 Conclusiones

Luego de aproximadamente una década de desarrollo continuo a gran escala, las redes inalámbricas de sensores, los estándares de comunicación y las tecnologías que las soportan, han alcanzado un grado de madurez que las hacen confiables y viables desde el punto de vista económico para integrarlas en aplicaciones de monitoreo de obras de infraestructura.

El monitoreo de integridad estructural se vislumbra como un campo de proyección que viene creciendo en diferentes partes del mundo y que muestra su importancia y utilidad en escenarios ligados a la vivienda, el transporte, los servicios públicos, la industria y la producción. Sin embargo, en el medio colombiano el desarrollo se puede calificar como incipiente, por lo que existe aún un vasto campo para el desarrollo de aplicaciones.

Las actuales soluciones de instrumentación y telemetría basadas en redes inalámbricas de sensores plantean ciertas ventajas en aplicaciones de monitoreo de integridad estructural, frente a la contraparte cableada debido a características que pueden favorecer una mayor autonomía, flexibilidad y escalabilidad.

Los dos prototipos presentados en este trabajo y la arquitectura propuesta pretenden abrir un camino que puede ser abordado desde diferentes ángulos y por diferentes profesionales, de acuerdo con sus necesidades y campos de acción. Es en todo caso una mirada inicial sobre una confluencia de dos especialidades de la ingeniería, que pueden reunirse en aplicaciones que generen valor agregado a los enfoques y soluciones existentes.

En este momento se trabaja sobre los prototipos mostrados con el fin de mejorarlos y para llegar a versiones más robustas, que cumplan con los requerimientos de trabajo a la intemperie y sobre periodos extendidos de tiempo, garantizando autonomía y fiabilidad acordes con las exigencias de un monitoreo

continuo sobre obras de infraestructura, tales como muros de contención, columnas, juntas, cimientos y fundaciones en puentes y edificios.

Técnicas modernas como la fusión de datos y de sensores contribuyen a un análisis dinámico mas completo de la obra de infraestructura monitoreada. Igualmente, el análisis de modos de vibración y la incorporación de técnicas tipo radar proporcionan información acerca de la integridad de las obras, que pueden ser más completa que la entregada por los sensores que miden solamente un punto específico.

Referencias

[1] Universidad de Los Andes (2014). Concepto técnico en relación a las causas más probables del colapso del edificio space. Contrato No. 4600051633 de 2013, Alcaldía de Medellín.

[2] Yun, C. & Min, J. (2011). Smart sensing, monitoring, and damage detection for civil infrastructures. KSCE Journal of Civil Engineering 15(1), pp. 1-14.

[3] Fernández, R. et al. (2014). Redes inalámbricas de sensores: Teoría y aplicación práctica. España: Universidad de la Rioja.

[4] Marulanda, J.; Thomson, P. & Marulanda, J. (2000). Monitoreo de salud estructural. Ingeniería y Competitividad 2(2), pp. 40-46.

[5] Flowers, D. & Yang, Y. (2010). Microchip MiWi™ Wireless Networking Protocol Stack. Technical Report AN1066. Microchip Technology Inc.

[6] Iacono, L. (2011). Wireless Sensor Network Protocols. Online [Jun. 2015].

[7] Yang, Y. (2009). Microchip Wireless (MiWi™) Application Programming Interface-MiApp. Technical Report AN1284. Microchip Technology.

[8] Yang, Y. (2015). Microchip Wireless (MiWi™) Media Access Controller - MiMAC. Techical Report AN1283XX. Microchip Technology.

[9] Yang, Y. (2010). Microchip MiWi P2P Wireless Protocol. Techical Report AN1204. Microchip Technology

[10] Fraser, M. et al. (2010). Sensor network for structural health monitoring of a highway bridge. Journal of Computing In Civil Engineering 24(1), pp. 11-24.

[11] Lueker, M. et al (2010). Bridge scour monitoring technologies: development of evaluation and selection protocols for application on river bridges in Minnesota. Report No. Mn/DOT 2010-14. Minnesota Department of Transportation.

[12] Transportation Research Board (2008). Use of inclinometers for geotechnical instrumentation on transportation projects: State of the practice. Transportation Research Circular, Number E-C129.

[13] Tam, H. et al. (2008). Utilization of fiber optic Bragg grating sensing systems for health monitoring in railway applications. Proceedings Ninth International Symposium on Precision Engineering Measurement and Instrumentation, pp. 1824-1831. Changsha, China.

[14] Kuryloski, P. et al. (2009). DexterNet: An open platform for heterogeneous body sensor networks and its applications. Proceedings Sixth International Workshop on Wearable and Implantable Body Sensor Networks, pp. 92–97. Berkeley, USA.

[15] Meneses, G. & Lemos, J. (2014). EnViBo: Embedded network for vital sign and Biomedical Signal Monitoring. Proceedings IEEE Colombian Conference on Communications and Computing, pp. 1-6. Bogotá, Colombia.

[16] Bustamante, V.; Ceballos, L. & Castro, J. (2005). Sistema de alerta temprana ambiental: Glosario de términos. Alcaldía de Medellín.

126

[17] Microchip Technology (2008). PIC18F2525/2620/4525/4620 data sheet enhanced flash micro controllers with 10-Bit A/D and NanoWatt technology. Technical Report DS39626E. Microchip Technology.

[18] Microchip Technology (2009). PIC24FJ128GA010 Family Data Sheet 16-Bit Flash Microcontrollers. Technical Report DS39747F. Microchip Technology.

[19] Microchip Technology (2005). Explorer 16 Development Board User’s Guide. Technical Report. DS50001589B. Microchip Technology.

[20] Peláez, A. (). Ubidots: Aplicaciones para el Internet de las Cosas. Online [Jun. 2014].

[21] Meneses, G. (2015). Achieving reduced power consumption of sensor nodes in wireless networks using MiWi protocol. Memorias VII Congreso Iberoamericano de Telemática 2015, pp. 189-196. Popayán, Colombia.