A WSN-Based Intrusion Alarm System to Improve Safety in Road Work Zones

IMG_20160216_191158

Title: A WSN-Based Intrusion Alarm System to Improve Safety in Road Work Zones
Authors: Jose Martin, Alba Rozas, and Alvaro Araujo
Published in: Journal of Sensors
Date of Publication: Jun 2016
Digital Object Identifier : 10.1155/2016/7048141
Web: https://www.hindawi.com/journals/js/2016/7048141/

Road traffic accidents are one of the main causes of death and disability worldwide. Workers responsible for maintaining and repairing roadways are especially prone to suffer these events, given their exceptional exposure to traffic. Since these actuations usually coexist with regular traffic, an errant driver can easily intrude the work area and provoke a collision. Some authors have proposed mechanisms aimed at detecting breaches in the work zone perimeter and alerting workers, which are collectively called intrusion alarm systems. However, they have several limitations and have not yet fulfilled the necessities of these scenarios. In this paper, we propose a new intrusion alarm system based on a Wireless Sensor Network (WSN). Our system is comprised of two main elements: vehicle detectors that form a virtual barrier and detect perimeter breaches by means of an ultrasonic beam and individual warning devices that transmit alerts to the workers. All these elements have a wireless communication interface and form a network that covers the whole work area. This network is in charge of transmitting and routing the alarms and coordinates the behavior of the system. We have tested our solution under real conditions with satisfactory results.

HOVIS – Desarrollo de un sistema de control automático de la ocupación en vehículos para aumentar la eficiencia energética en peajes

peaje

Este proyecto tiene como objetivo desarrollar un sistema que estime la ocupación de los vehículos para implementarlo en los sistemas de cobro inalámbricos en los peajes. El fin es fomentar el uso compartido de los vehículos aplicando distintas tarifas en función de la cantidad de pasajeros de cada vehículo.

Este proyecto está ubicado en la convocatoria Plan Avanza 2014 (actualmente AEESD), con las siguientes características:

Título: Desarrollo de un sistema de control automático de la ocupación en vehículos para aumentar la eficiencia energética en peajes
Código: TSI-100501-2014-1
Duración: 2014-2016
Consorcio: Valoriza Conservación de Infraestructuras y Universidad Politécnica de Madrid.
Entidad financiadora: Ministerio de Industria, Energía y Turismo

logo_minetur

El sistema para el control de la ocupación de vehículos consistirá en el desarrollo e integración de varias técnicas de sensorización no invasivas. Estos nodos deberán estar alimentados de manera autónoma y durante largos periodos de tiempo, pues lo ideal es que no tengan que reemplazarse. Además, las comunicaciones entre los sensores deben ser fiables y seguras, puesto que tratan con datos críticos.

Battery management: monitorizando de las baterías

batteryindicator

Además de las protecciones básicas y los cargadores, en muchos casos suele ser necesario conocer la carga de la batería para actuar consecuentemente, por ejemplo, para lanzar un aviso de batería baja o apagar el sistema para evitar que funcione incorrectamente.

La forma más básica consiste en leer la tensión de la batería mediante el conversor analógico digital que se halla presente en la mayoría de microcontroladores. Esta técnica es válida para sistemas que no requieran mucha precisión y puede satisfacer muchos de los casos. En caso de que el sistema tenga un consumo medio-alto, o se necesite una buena estimación de la carga, es necesario emplear un medidor de carga dedicado para obtener buenos resultados.

lipo discharge profile
Perfil de descarga de una batería de litio.

Estos medidores dedicados, además de proporcionar el nivel de carga, permiten monitorizar el estado de la batería, siendo posible leer los valores de tensión y corriente instantáneos, temperatura, envejecimiento, etc. Algunos más avanzados permiten la autentificación de la batería y conocer estadísticas como ciclos de descarga o el consumo máximo del sistema.

Para monitorizar el consumo, suelen apoyarse en una resistencia de medida externa de muy bajo valor, situada entre la batería y el resto del sistema. La caída de tensión en esta resistencia es proporcional a la corriente, por lo que así se puede medir la corriente instantánea que entra o sale de la batería. Dado que se emplean resistencias de muy bajo valor, es necesario cuidar el rutado y la soldadura para que las medidas no se vean afectadas.

bq27441-g1
Circuito de referencia para el medidor bq27441-G1.

El medidor de batería integra esta corriente a lo largo del tiempo y, junto con la medida de voltaje que hace en el borne de la batería, predice el consumo total que se ha realizado. De esta manera, conociendo algunos parámetros básicos de la batería, permite conocer con cierta precisión el estado de carga.

A la hora de usarlo, es necesario inicializar estos parámetros del medidor a partir de las especificaciones de la batería y de los extremos de funcionamiento (tensión de terminación, tensión de funcionamiento mínima, etc.).

Una vez que se ha configurado el medidor, este comenzará a crear un modelo matemático del comportamiento de la batería, a partir del cual se extrae el porcentaje de carga actual. Este modelo evoluciona en el tiempo en función de los datos que recoge el medidor, como son la energía que absorbe la batería hasta cargarse completamente, o su respuesta ante transitorios de corriente. Esto permite que, según la batería envejece, los datos sigan siendo cercanos a la realidad.

Dado que este modelo es específico para cada celda concreta, si reemplazamos la batería es necesario reiniciar el proceso de aprendizaje. Por ello, si la batería del sistema es extraíble se habrá de monitorizar el cambio de celda para comunicárselo al medidor.

Los medidores de batería suelen ser ligeramente distintos en función de si están diseñados para residir en la batería (por lo que siempre estarían alimentados y no habría cambios de celda) o en el sistema (host), que requerirá que el medidor se adapte a la batería que se use en cada momento. En este segundo caso, siempre estará situado justo tras la conexión de la batería y antes del resto del sistema.

En cuanto a la forma de comunicar la información y configurar el medidor, la interfaz habitual es PMBUS o I2C. Si el medidor se halla en el sistema (host), no es necesario tomar precauciones específicas, mientras que, si se halla en la batería, se habrán de proteger las líneas I2C de posibles descargas electrostáticas.

Battery Management: cargando las baterías

Battery charging

Cuando se acaban las baterías, suele ser incómodo quitar la batería y enchufarla a un cargador específico, por lo que se suele incluir un sistema de carga de baterías. Este se hallará en el propio sistema permitiendo recargar la batería a partir de alguna fuente de alimentación, como un conector USB.

Las baterías de litio requieren un perfil específico de carga para que se haga con seguridad, que suele constar de tres etapas:

  • Precarga: esta se encarga de cargar lentamente la batería cuando está agotada, hasta una tensión de unos 3 voltios.
  • Cuando la batería se halla por encima de esa tensión, se comienza la carga a corriente constante (la fijada en el diseño) hasta que la tensión de la batería alcanza la tensión de terminación.
  • Cuando se alcanza esta tensión, se le fija esta tensión entre los terminales, permitiendo que absorba corriente hasta que acabe completamente cargada. La carga se da por finalizada cuando la corriente que se inyecta en la batería disminuye por debajo de un umbral específico del cargador.
Perfil carga litio
Perfil de carga de baterías de litio (carga completa y recarga parcial).

Las características de la batería nos indicarán la corriente máxima de carga, que típicamente está en torno a 1C. Esta nomenclatura significa 1 veces la capacidad nominal, es decir, si la batería es de 1000 mAh, puede cargarse a una corriente de hasta 1000 mA.

En la práctica, las baterías se suelen calentar un poco durante la carga, y si se carga a una corriente cerca de la tasa máxima, es recomendable emplear un proceso de carga que incluya regulación térmica. Esto se traduce en que el cargador ha de tener conexión para un sensor de temperatura, que suele ser una resistencia NTC acoplada a la batería.

En cuanto a la forma de regular la carga de la batería, hay dos topologías de reguladores posibles, la lineal y la conmutada. La lineal se basa en disipar en forma de calor la potencia necesaria para regular la carga a partir de la entrada, por lo que sólo son aptos para corrientes de carga bajas. Sin embargo, son más simples y compactos, por lo que son una buena elección para baterías pequeñas o aplicaciones con restricción de espacio. Dado su baja eficiencia, es necesario realizar cálculos de potencia disipada para asegurar que trabajará dentro de su rango de funcionamiento. Un ejemplo de estos reguladores es el ubicuo MCP73831 de Microchip.

Regulador lineal (MCP73831).
Regulador lineal (MCP73831).

Para corrientes más elevadas (normalmente a partir de unos 300-400 mA), la opción más adecuada son los reguladores conmutados. Estos necesitan una bobina externa, además de condensadores de filtrado (de salida y de compensación). Estos permiten corrientes de varios amperios y suelen disponer de interfaces de control y monitorización más completas.

Regulador conmutado con power-path (BQ24250).
Regulador conmutado con power-path (BQ24250).

En el mercado, existen muchos integrados que se encargan de la carga, integrando este regulador y la lógica para seguir el perfil de carga, con diversas opciones de entrada de alimentación (USB, energy harvesting, carga inalámbrica, etc.). En el caso de cargadores específicos para conexión USB, suelen detectar el tipo de puerto que suministra la corriente, adaptando la intensidad de carga en función de la disponible.

Todos los integrados de carga suelen disponer de alguna opción de monitorización de la carga. Los más básicos sólo disponen de alguna línea de salida que indica que está cargando la batería o que hay tensión a la entrada. Los más avanzados, ofrecen una interfaz a través de I2C o SMBUS permitiendo, además de consultar el estado y posibles fallos, controlar parámetros de la carga al vuelo, como puede ser la corriente máxima de carga o la tensión de terminación.

Un tema que a veces hay que considerar es el uso del sistema mientras se recarga la batería. Esto puede causar que, en cargadores comunes, el consumo del sistema se le reste a la corriente de carga de la batería pudiendo llegar, si el sistema tiene un consumo alto, a agotarla más en lugar de recargarla. Para estas situaciones, existen cargadores que se encargan de, dentro de los límites de corriente de la fuente externa de alimentación, compensar el consumo activo del sistema de manera que la batería se recargue a la corriente deseada. Normalmente el fabricante emplea uno nombre para esta tecnología, como Texas Intruments con dynamic power-path.

Por último, en algunos casos (cargadores que se configuran mediante interfaz externa) puede darse el caso de que, si la batería se ha agotado, el sistema no se encienda, y el microcontrolador principal no ordene al cargador que comience la recarga. Por ello, habrá de tener en cuenta el proceso de inicio de la carga en estos casos. En estos casos también puede ser que no se llegue al voltaje mínimo para que funcione correctamente el sistema, y se deba aplazar el arranque a que se alcance dicho voltaje.

Circuito de carga | Datasheet de TI BQ24250
Circuito de carga | Datasheet de Microchip MCP73831¡
Perfil de carga | Digi-Key
Introducción a perfiles de carga JEITA (regulación térmica): http://www.ti.com/lit/an/slyt365/slyt365.pdf 

Battery management: añadiendo baterías a los prototipos

battery

Muchos de los prototipos que se realizan en este laboratorio (y fuera de él) requieren de una alimentación propia, por lo que suelen emplear baterías. Actualmente, dada su alta densidad de energía, las más empleadas son las baterías de litio. Sin embargo, estas baterías requieren circuitos específicos para recargarla y para garantizar la seguridad en su funcionamiento.

La mayor parte de baterías suelen ser de química LiCoO2, las cuales son compatibles con la mayoría de circuitos integrados. Estas baterías suelen tener un voltaje nominal de 3,7 V, que sube hasta 4,2 V cuando está completamente cargada. En algunos dispositivos (como teléfonos, tablets, etc.) se emplean baterías que terminan la carga a los 4,3-4,35 V, con tensión nominal de 3,8 V. Se ha de comprobar que se elige la electrónica para la tensión de carga adecuada.

Existe un tipo menos común de baterías de Litio, las de química LiFePO4, que tienen una curva de tensión de descarga mucho más plana, y son usadas en algunas aplicaciones en las que esta característica es importante. Requieren de electrónica de control y carga específica.

En este post se comentan las protecciones básicas que se incluyen en las baterías. En sucesivos posts, se comentará el uso de cargadores, medidores de carga y algún caso práctico de cómo se ha implementado la alimentación en sistemas concretos.

Protección básica

Las baterías de litio son muy sensibles a las sobrecargas, sobredescargas, sobrecorrientes y cortocircuitos, pudiendo incendiarse de forma peligrosa en casos extremos. Por ello, y sobre todo en el diseño de prototipos, es imprescindible que integren protecciones para estas situaciones.

Típicamente, esta protección se realiza mediante un pequeño integrado que monitoriza el voltaje en la batería y actúa sobre dos transistores MOSFET para controlar la corriente entrante (durante la carga) y saliente (durante la descarga), pudiendo interrumpirla en caso de darse unas condiciones incorrectas.

Battery protection schematic
Esquema protección batería.

Dado que esta protección se implementa en todos los sistemas, muchas de las baterías sueltas que se pueden adquirir integran esta protección básica en una plaquita soldada en los terminales de la batería. Esto es muy conveniente ya que, si estuviera situada en la placa del propio prototipo, sería menos fiable al estar expuesto a problemas de soldadura, cortos o rotura de cables.

Batería con placa de protección.
Batería con placa de protección.

A la hora de elegir una batería, por simplicidad y fiabilidad, conviene elegir una que disponga de estas protecciones. Esto se puede ver en las características, donde se suelen especificar los parámetros de esta protección (además de los límites de funcionamiento de la batería). Un ejemplo de características el siguiente:

 

Parámetro Significado Explicación
Standard Capacity:2200 mah Capacidad nominal
Standard Voltage: 3.7 V Voltage nominal
Charge cut-off voltage: 4.20 ±0.03V Corte de corriente por sobrecarga. Punto en el cual el chip de protección corta la entrada de corriente.
Discharge cut-off voltage: 2.75V Corte de corriente por sobredescarga. Punto en el cual el chip de protección corta la salida de corriente.
Charge current: standard 0.2 C and maximum 1C Corriente nominal y máxima de carga. Dado que C=2200 mAh, la corriente de carga estándar es 440 mA y la máxima 2200 mA
Standard discharge current: 0.2C Corriente de descarga nominal. A esta corriente de descarga, la capacidad efectiva debería ser la nominal.
Maximum discharge current: 2.0C Máxima corriente de descarga. Máxima corriente a la que se puede descargar la batería.

En este caso, nos indica que durante la carga no se deben superar los 4,2 V, ni bajar por debajo de los 2,75 V en la descarga. Típicamente este corte de descarga es útil para que el prototipo se apague. Sin embargo, suele ser mejor monitorizar el voltaje y apagar el prototipo de forma ordenada antes de este límite o cuando la tensión cae por debajo del mínimo necesario para el funcionamiento del prototipo.

Por otro lado, en muchos sistemas se monitoriza la temperatura de la batería. Esto se suele realizar mediante una resistencia NTC que está integrada en la célula de la batería y se denota porque el conector tiene tres cables, hallándose la NTC conectada entre el central y masa. Si la batería no la integra, puede usarse una NTC con cable y colocarla pegada a la batería.

NTC con cable.
NTC con cable.

Si se trata de un prototipo y no se va a cargar o descargar la batería a tasas muy elevadas, el calentamiento suele ser despreciable y no es necesario incluir este sensor de temperatura. En cambio, en productos finales o en sistemas que pueden estar expuestos a temperaturas extremas (fuera de unos 5 a 35 ºC aprox.), es necesario incluirlo para modular o impedir la carga en función de la temperatura.

 

Imagen de cabecera | Adafruit

Pruebas realizadas al prototipo Deperita

IMG_20160216_191158

Para la elaboración del artículo sobre el proyecto Deperita, se prepararon una batería de pruebas con el fin de probar la eficacia del sistema.

Para un sistema de seguridad de este tipo los parámetros fundamentales son la fiabilidad de detección de los vehículos y su capacidad de transmitir el aviso de peligro, por lo que se realizaron las pruebas simulando un despliegue real para evaluar la respuesta del sistema. Este despliegue se realizó en la zona de Valdebebas (Madrid).

En estas se probó el funcionamiento del detector de vehículos para distintas configuraciones de movimiento del vehículo y colocación del sensor, además de probar diversas situaciones accidentales que pueden ocurrir en la práctica.

Respecto a la parte inalámbrica, resulta fundamental la fiabilidad de la comunicación y por ello se midieron los parámetros de alcance, latencia y fiabilidad de la red inalámbrica formada por el sistema.

Estas pruebas servirán, además de para completar el artículo, como base para el desarrollo futuro del sistema.

Concedida matrícula de honor a PFC englobado dentro del proyecto DEPERITA

montaje

El proyecto DEPERITA (DEtection PERImetral system for lineal TrAffic works) está siendo actualmente desarrollado en el laboratorio B105. El sistema busca desarrollar un sistema que mejore la seguridad en obras de mantenimiento de carreteras. En estos trabajos, es habitual llevarlos a cabo sin cerrar la calzada, cortando sólo parte de los carriles, con el fin de no interrumpir completamente el tráfico. Sin embargo, en estos casos, los trabajadores están expuestos al tráfico, ya que los coches circulan muy cerca de ellos y cabe la posibilidad de que algún vehículo se introduzca en la zona cerrada al tráfico, en la que se encuentran los trabajadores. Para reducir la posibilidad de accidente en estos casos, se ha planteado desarrollar un sistema que alerte a los trabajadores en caso de que algún vehículo invada la zona de trabajo.

La detección de los vehículos se realiza mediante unas balizas o detectores que se acoplarán a los conos empleados para realizar el corte del tráfico. Las balizas se encargarán de, si algún vehículo cruza ,la zona delimitada, avisar a todos los trabajadores a través de un reloj que cada uno de ellos lleva puesto. Todas estas balizas y relojes forman una red inalámbrica en la banda conocida como SRD (Short Range Devices) de 868 MHz. Esta se encarga de distribuir los avisos de peligro, activar o desactivar la detección de vehículos, e informar del estado de los dispositivos.

road
Esquema reducido de un despliegue objetivo.

Cuando algún vehículo cruce este perímetro, la baliza asociada a ese segmento lo detectará, y se avisará a los trabajadores mediante sus relojes y también con la sirena incorporada en alguna de las balizas. De esta manera, pueden apartarse de la zona de la carretera y evitar un posible atropello. Una vez pasa el peligro, el responsable de la obra puede, mediante su reloj, parar el aviso y poner en marcha el sistema de nuevo.

El primer prototipo de este sistema fue desarrollado en el PFC “Diseño e implementación de un sistema de control perimetral para seguridad en obras de infraestructuras lineales”, que fue presentado el pasado 21 de Diciembre, siéndole concedida la matrícula de honor en el pasado mes de enero. Tras este primer desarrollo, se trabajará junto con la empresa Valoriza Infraestructuras para probarlo en entornos reales y evolucionarlo, con el fin de emplearlo en un futuro en este tipo de trabajos.

Apuntes de diseño para carcasas impresas en 3D para circuitos electrónicos

3d_trans

Este articulo va enfocado a detalles concretos a la hora de hacer carcasas para placas de circuitos, como su fijación a la carcasa, protección y soporte mecánico.

Primero, dependiendo de la función de la placa de circuito, tendremos que ver qué requisitos ha de satisfacer la carcasas, puede ser simplemente recubrir el circuito para poderlo instalar en algún sitio, transportarlo, o puede ser más concreto cómo proteger del agua, polvo, de golpes, o proveer soporte mecánico para los conectores.

Dimensiones y tolerancias

A la hora de diseñar los huecos con el fin de que encajen las piezas, es importante ajustar las medidas dejando un margen o hueco extra para que puedan entrar bien teniendo en cuenta las tolerancias de impresión.
Aunque es muy dependiente de los ajustes que imponga el slicer a la hora de imprimir (grosores de capas, etc.), es bastante habitual que tras imprimir, el objeto sea ligeramente más ancho en todas las dimensiones, lo que lleva a que hay que tener en cuenta este ensanchamiento y un ligero margen para poder insertar las piezas. Esto es más notorio en bordes circulares (p.e. un hueco para un botón).

También tener en cuenta que no es lo mismo que encajen dos piezas de plástico que puedan haber sufrido este ensanchamiento, que encajar una placa de circuito, que se supone que las dimensiones finales son suficientemente precisas (si no lo son, pues mejor pedir a otra fab de PCBs…), en un hueco impreso en plástico.

dimensiones2 dimensiones1

En las impresiones que se realizan en el laboratorio (empleando la impresora BQ Witbox y el slicer Cura), un valor de margen de 0,5mm en cada dimensión suele llevar a un ajuste más o menos estrecho entre dos piezas de plástico, mientras que para un ajuste similar de una PCB en plástico puede ser suficiente con 0,3-0,25 mm. Estos valores son similares para otras impresoras comerciales (Ultimaker 2, Series 1).

Fijación (de la PCB a carcasa y tapas)

Para sujetar la placa a la carcasa, y las posibles tapas, se pueden emplear pestañas o tornillos.
Las primeras pueden ser por fricción, es decir, quedando comprimidas por la otra pieza; o porque encajan en un hueco realizado en la otra pieza. Debido a que suelen requerir un ligero voladizo en la impresión, requieren bastante cuidado al imprimir (y probablemente varios intentos hasta que se impriman bien), además de que, debido al método de impresión (capas), no suelen ser muy duraderas.
En cuanto a los tornillos, tenemos dos tipos que se pueden emplear fácilmente, los autoroscantes y los de tornillo-tuerca (sin punta). Los primeros se basan en formar la rosca en el primer atornillado, y sólo requieren un orificio cilíndrico de un radio similar, pero, por las baja resistencia del plástico impreso, no son muy fiables, especialmente si se ponen y se quitan varias veces.

Los tornillos de tornillo-tuerca pueden atornillarse sobre plástico de igual forma (y con similar fiabilidad), pero con estos se pueden emplear inserciones roscadas, que son unos casquillos metálicos con estrías en las que se enganchan transversalmente al tornillo, y que tienen las rosca del tornillo en la parte interior. Estos son los que proveen mayor resistencia y repetidos montajes.
A la hora de realizar el orificio para albergar la inserción roscada, suele ser recomendable hacerla lo más ajustada posible, e insertar la inserción calentándola con el soldador de manera que quede el plástico conformado las estrías y quede sujeta.

En estos, es típico usar métricas M2, M2.5 o M3 para fijar la placa, en cuanto a los orificios y clearance en la PCB, puede verse información aqui. Es también recomendable echar un ojo a las longitudes típicas de los tornillos en los distribuidores para evitar tener que cortarlos.

threaded insert 67 torx8589931425584623585

Tapas y juntas

Para las tapas, si no tenemos problemas de que no deba entrar polvo, agua o similares, es suficiente con una tapa simple, cerrada por pestañas o tornillos. Sin embargo, se pueden realizar dibujos de juntas en ambas piezas para cerrar mejor el conjunto o que queden mejor alineada tapa y caja. En la imágen se puede ver un par de ejemplos.

tapas1tapas2

En la de la derecha se puede, en la parte de abajo, hacer un hueco más profundo, y aplicar silicona líquida o similar para hacer una junta más segura.

Otros detalles

En cuanto a conectores, si vamos a tener alguno que se use intensivamente, podemos añadir elementos que alivien parcialmente el estrés mecánico. En conectores de conexión vertical (típicamente through hole), el esfuerzo suele en la PCB, flexionándola en cada ciclo, y podemos añadir apoyos alrededor del conector para que la carcasa sujete a la PCB y sufra menos. En conectores de conexión lateral, podemos hacer que la carcasa sujete el conector, tanto por detrás como en el marco exterior, para evitar que el estrés afecte solamente al cobre de la PCB (conectores SMD) o en los soportes plásticos del conector (thorugh hole).

conectores

En algunos casos, a la hora de imprimir, puede ser que se requieran detalles a la hora de general el gcode, como paredes ligeramente más gruesas (p.e. en las inserciones roscadas), o malla interna más densa (si tiene que soportar golpes), todo esto se configura en el slicer.