Tests de Funcionamiento de un Sistema de Monitorización de Estructuras

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Derivado de un proyecto realizado junto con la escuela de caminos (ETSICCP), entre otros miembros, estamos realizando una colaboración con dicha escuela para finalizar el desarrollo de un sistema de monitorización de estructuras inalámbrico.

El sistema consiste en varias PCBs, cada una de las cuales tiene un objetivo diferente. Por poner algunos ejemplos, hay una PCB para alimentación del sistema, otra para adecuar la señal procedente de los sensores, otra para digitalizar las señales ya adecuadas, etc.

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Imagen del sistema usado para pruebas.

Tras haber realizado múltiples pruebas en el laboratorio y tener montado y testado un sistema cuasi-final nos hemos desplazado de visita a la ETSICCP para hacer unas pruebas con nuestros compañeros “camineros” Jaime y Jose Manuel.

Estas primeras pruebas que hemos realizado han sido unas pruebas de comprobación del funcionamiento del sistema en una forma bastante básica. Esto significa que el objetivo era probar, en una estructura con una vibración controlada y conocida, que los datos registrados y guardados por el sistema se correspondían a los esperados. Los resultados obtenidos, además de exitosos, puesto que se han registrado correctamente las excitaciones inducidas a la estructura, han proporcionado algunas pinceladas para mejorar el sistema. Los siguientes pasos a realizar involucrarán el uso de sincronización inalámbrica entre varias unidades del sistema con vistas a ser capaces de monitorizar grandes estructuras con un mínimo despliegue de cables.

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Captura del montaje realizado sobre una viga.
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Datos recogidos por el sistema.

 

Empezando a trabajar con NB-IoT

NB-IoT

Dentro del proyecto Sensoriza desde el grupo B105 hemos empezado a trabajar por primera vez con la tecnología Narrowband-IoT (NB-IoT).

NB-IoT es un estándar promovido por 3GPP que reutiliza una pequeña parte del espectro LTE. Por tanto, con un pequeño cambio en las estaciones base, proporciona el mismo alcance geográfico que la tecnología móvil 4G actual. La conectividad que proporciona es de muy bajo ancho de banda y baja tasa de datos, a la vez que ofrece una cobertura muy profunda llegando a lugares subterráneos o zonas rurales remotas. Por lo tanto está especialmente diseñada para dispositivos autónomos del mundo del internet de las cosas, como contadores inteligentes, alarmas, agricultura conectada, etc.

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Nuestro objetivo es dotar a las máquinas de conservación y mantenimiento de carreteras de un módulo NB-IoT mediante el que puedan transmitir la información recogida por sus sensores ambientales a un centro de control. Utilizando esta tecnología tendremos conectividad desde las carreteras de montaña remotas donde se realizan la mayor parte de actuaciones de vialidad invernal, lo que hasta ahora no era posible.

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Como pasos iniciales estamos trabajando con dos módulos de dos fabricantes diferentes. En primer lugar tenemos un módulo BC95 de Quectel, que nos ha facilitado su distribuidor en España Monolitic. Por otro lado estamos utilizando una plataforma basada en Arduino que incorpora un módulo SARA-N211 de u-blox. Vodafone, que es la principal compañía telefónica que está implantando la tecnología NB-IoT en España, nos ha proporcionado dos tarjetas SIM para hacer pruebas de conexión con su red.

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Demostración del desarrollo realizado en el proyecto DAMAS en el Embalse de la Tajera

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El pasado día 25 de Mayo de 2016 se llevó a cabo una demostración de uso y funcionamiento del equipo de monitorización desarrollado para el proyecto DAMAS.

La demostración se llevó a cabo in situ en el Embalse de La Tajera, en Guadalajara. Se distribuyeron varias cajas de monitorización a lo largo de la corona superior de la presa y a cada una de las mismas se conectaron acelerómetros de alta precisión para recoger las vibraciones naturales de la estructura.

EmbalseLaTajera3A la demostración asistió el consorcio al completo, es decir, la empresa Valoriza y el B105 Electronic Systems Lab. como parte de la Universidad Politécnica de Madrid. Además también asistieron los evaluadores del Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial (CDTi).

Tras la demostración los evaluadores dieron el visto bueno al proyecto y a los desarrollos llevados a cabo y dieron por finalizado el proyecto.

El proyecto ha sido realizado gracias a:

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Finalización, cierre y demostración del proyecto SETH

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El pasado 4 de Mayo de 2016 se realizó la reunión final del proyecto SETH en la que había representantes de las empresas y OPIs que formaban el consorcio del proyecto. Además había representantes del ministerio para velar por el cumplimiento de todas las partes de sus compromisos adquiridos por el proyecto.

El proyecto ha sido un éxito en cuanto a la parte del trabajo asignada al laboratorio B105, representando a UPM ETSI de Telecomunicación, y también en la parte concerniente a UPM ETSI de Caminos, Canales y Puertos.

En el B105, con la realimentación de la ETSICCP, hemos conseguido realizar un sistema de monitorización de estructuras de alta precisión, buena autonomía, de reducido coste en comparación con sistemas similares y de instalación simplificada gracias al uso de comunicaciones inalámbricas y a su tamaño y peso contenidos.

El uso futuro de este tipo de sistemas está fuera de toda duda. Ya se emplean en algunas estructuras críticas. El desarrollo realizado demuestra que se podrían utilizar en una gran variedad de estructuras y edificios sin necesidad de manejar presupuestos millonarios. Con el sistema desarrollado se podrán monitorizar edificios, valorar sus diferentes modos de vibración y observar cómo cambian con eventos externos que puedan deteriorarlos como pueden ser obras, cercanía de vías de ferrocarril o metros, terremotos, etc. El cambio en los modos de vibración de la estructura nos puede reportar información muy útil sobre el estado del edificio y sobre su seguridad para ser habitable.

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En la reunión de final del proyecto demostramos sobre un forjado el uso de nuestro sistema. La demostración consistió en dos cajas conectadas de forma inalámbrica para demostrar este tipo de conectividad y por otra parte tres sensores conectadas a una de ellas. Una persona inducía una vibración en el forjado y las aceleraciones de la estructura quedaban guardadas en una tarjeta microSD que con posterioridad se representaban de forma gráfica en un ordenador.

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El proyecto se ha llevado a cabo gracias a:

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Cerrando el proyecto SETH

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El proyecto SETH acabará en los proximos meses y las reuniones de seguimiento se intensifican.

En las últimas dos semanas se han realizado varias reuniones para evaluar el estado del proyecto y los últimos avances realizados, tales como la visita a la Universidad de Medicina de Granada. Este edificio es uno de los escenarios de monitorización de referencia para el proyecto y a día de hoy el edificio ya está, no solo finalizado, sino en activo, dando cabida a alumnos y profesores, despachos, clases, laboratorios y salas de reuniones, entre otras cosas.

Algunas fotos que se realizaron durante la visita se pueden ver a continuación:

El proyecto SETH finalizará el próximo 30 de Abril y los diferentes socios del consorcio se encuentran rematando las pocas tareas que aún quedan pendientes.

TFG: Diseño, desarrollo e implementación de un sistema de adquisición, almacenamiento y presentación de los datos obtenidos de una red de sensores inalámbricos

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El objetivo de este Trabajo Fin de Grado es el diseño e implementación un sistema que adquiera, procese y almacene los datos obtenidos de la WSN y los presente a través de un servidor Web que permita consultar datos en tiempo real y en un histórico, así como envío de parámetros de control, con los que configurar la WSN.

El proyecto se basará en una red de sensores inalámbricos desarrollada de forma simultanea en otro Trabajo Fin de Grado, compuesta por dos tipos de nodos, Prometheus y Boucherot. Los nodos Prometheus se encargarán de medir valores como presencia y temperatura, además de estado de sus baterías, mientras que los Boucherot monitorizarán el consumo de todo dispositivo conectado a ellos. Asimismo, los nodos Boucherot también implementan una serie de actuadores que permiten el encendido y apagado de los aparatos conectados a los mismos. Esta red presenta además una serie de comandos que permiten configurar ciertos parámetros de medida de la red y del estado de sus nodos.

Para la implementación del sistema se ha recurrido a distintas herramientas:

  • Desarrollo de script en Python para adquisición, procesado y almacenamiento en base de datos. Así como el envío de comandos de control a la red inalámbrica. Se han empleado los módulos serial, sqlite3 y pynotify.
  • Desarrollo del servidor Web en Node.js, que sirve paginas con información de la red, información de las medidas en tiempo real y en un histórico, con módulos: socket.io, sqlite3, http-auth entre otros.
  • Diseño de las paginas web que se muestran en el cliente basadas en distintos frameworks como: Bootstrap 3, graficas de HighCharts, y tablas con Datatables y jQuery.

A continuación se muestra una breve descripción de la interfaz del sistema con el usuario, que se realiza a través de una serie de paginas web:

DOMOLabo B105_TrealPágina que muestra dinámicamente las medidas en Tiempo Real tomadas por la WSN

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Página que muestra Histórico de las medidas tomadas por la WSN

Ambas páginas, constan de una serie de gráficas que muestran las medidas tomadas por la WSN. Cada gráfica agrupa a todos los sensores de un tipo y permite seleccionar los nodos que se desean visualizar en la leyenda. Además permite hacer zoom en la gráfica, bien seleccionando sobre ella o bien pulsando alguno de los botones de la esquina superior izquierda de la gráfica. También es posible exportar datos en distintos formatos, .pdf, .png, .svg, etc. gracias al botón situado en la esquina superior derecha.

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Página que muestra información y permite el control de la WSN

Esta pagina consta de una tabla principal donde se muestra información de todos los nodos de la red (identificadores, tipos de sensores presentes, localización del sensor y estado de la batería y de sus actuadores). En la parte inferior de la tabla se encuentra un formulario que permite añadir nuevos sensores al sistema.

En la parte superior de la tabla se presenta un conjunto de botones que permiten el envío de una serie de comandos de control a la red (Relé, Configurar el tiempo que un nodo permanece dormido y en estado activo, actuar sobre el relé y/o los leds, etc.). Estos comandos se envían al nodo AP de la red que se encarga de enviarlos al nodo que corresponda.

También se ha implementado una autenticación de usuarios, para el control de acceso a funciones de configuración de la red y del sistema. Para los usuarios no administradores el aspecto es ligeramente diferente al presentado, ya que las funciones de control están desactivadas y no se permite la incorporación de nuevos sensores al sistema. Sin embargo la tabla es visible y se permite como en el caso anterior consultar e imprimir el estado de la red.

Se ha tenido especial interés en implementar un sistema modular, en el cual la caída de un modulo no imposibilite el normal funcionamiento del resto. Escalable, donde se puedan gestionar múltiples peticiones simultaneas de usuarios con distintos dispositivos y necesidades de consulta. Primando también la versatilidad del sistema respecto a la red de la que se adquieran los datos.

El sistema se ha dimensionado ampliamente para soportar una red con mas de 100 sensores y almacenar datos durante varias décadas, con tiempos de medida de 1 minuto para los sensores.

 

Monitorización continua del Laboratorio B105

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Llevabamos tiempo con la idea de implementar y dejar instalada una red de sensores inalámbricos dentro del B105 Lab, que monitorizara de forma contínua, entre otras cosas la temperatura de las diferentes estancias. En este nuestro laboratorio, diseñamos y desplamos gran cantidad de redes de sensores inalámbricas con múltiples objetivos, pero siempre son instaladas en terceras partes.

Esta red que hemos instalado en el laboratorio es una red básica que monitoriza parámetros como temperatura, presencia, luminosidad, consumo de los nodos, consumo de dispositivos externos y es capaz de actuar en determinados relés y leds.

Para la consulta de sus datos solo hay que acceder a una página web de visualización de datos donde se puede consultar desde el estado actual en tiempo real hasta el histórico desde su instalación.

Esta pequeña red fija y de monitorización contínua se ha desplegado gracias al desarrollo de dos Trabajos Fin de Grado:

Monitorización de El Cañaveral, Madrid

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A principios del año 2014 realizamos la monitorización de varios edificios en proceso de construcción en El Cañaveral. Este nuevo barrio en desarrollo se encuentra al  noreste de Madrid y ofrecia un escenario perfecto para la monitorización de edificios dentro del proyecto SETH.

Se monitorizaron dos edificios, uno de ellos con la estructura ya finalizada, y al lado de éste, otro edificio todavía en proceso de construcción de la estructura. El objetivo es detectar si la construcción de un edificio colindante a otro afecta a este de algún modo.

Los datos recogidos durante los 2 días de medidas están en procesado.

Monitorización de edificio en Pinar de Chamartín

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Hace poco, dentro del proyecto SETH estuvimos monitorizando por segunda vez un edificio en Pinar de Chamartín, Madrid.

El edificio en cuestion es un bloque de pisos de 16 plantas más 2 sótanos actualmente habitado y con tránsito de vecinos. El objetivo de la monitorización de este edificio es ver si las vibraciones debidas al transporte subterráneo (metro de Madrid) afectan de algún modo al comportamiento de la estructura.

El proceso de monitorización del edificio se realizó durante una única mañana donde se realizaron múltiples setups midiendo las direcciones X, Y y Z de forma sincronizada en todas las plantas.

Una vez procesados los datos podremos obtener las frecuencias propias del edificio y sus formas modales.