implementación de una red de sensores inalámbrica para la monitorización de estructuras...

Implementación de una red de sensores

inalámbrica para la monitorización de

estructuras arquitectónicas

Autor: Marta Domínguez SantanaTutores: Dr. D. Francisco Javier del Pino Suárez Dr. D. Rubén Pulido Medina

Proyecto Final de Carrera

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Índice de contenidos Patologías de la construcción

Objetivo del PFC

Redes de sensores y tecnología ZigBee

Waspmote y sensores

Pruebas de aplicación con Waspmote

Conclusiones y líneas futuras

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Patologías de la construcción¿Qué es una patología constructiva? ¿ y un

proceso patológico?

4

Patologías de la construcción

La lesión

Causas de la lesión

Intervenciones sobre la lesión

• Física•Mecánica•Química

• Reparación•Restauración•Rehabilitación•Prevención

Grietas y fisuras

5

Patologías de la construcciónEstudio de grietas y fisuras

6

Patologías de la construcción

Estudio patológico

•Observación•Toma de datos•Análisis del proceso patológico•ActuaciónPropuesta de toma de datos con sensores

7

Índice de Contenidos Patologías de la construcción

Objetivo del PFC

Redes de sensores y tecnología ZigBee

Waspmote y sensores

Pruebas de aplicación con Waspmote

Conclusiones y líneas futuras

8

Objetivo del PFC

Estudio de la placa de Waspmote

Correcto funcionamiento de los sensores

Estudio de grietas y fisuras

Toma de datos a través de sensores

diagnosticar las causas de la lesión

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Índice de contenidos Patologías de la construcción

Objetivo del PFC

Redes de sensores y tecnología ZigBee

Waspmote y sensores

Pruebas de aplicación con Waspmote

Conclusiones y líneas futuras

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Redes de sensores y tecnología ZigBee

Elementos de una red inalámbrica de sensores

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Redes de sensores y tecnología ZigBeeTecnología ZigBee

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Redes de sensores y tecnología ZigBee

Características•Corto alcance•Baja tasa binaria•Bajo consumo•Robustez en las comunicaciones•Coste reducido

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Redes de sensores y tecnología ZigBee

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Redes de sensores y tecnología ZigBeeTopologías ZigBee

Topología estrella

Topología malla Topología árbol

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COMPARATIVA PRINCIPALES ESTÁNDARES DE COMUNICACIÓN

ZigBee Bluetooth WiFi

Estándar 802.15.4 802.15.1 802.11

AB 250 kbps 24 Mbps Hasta 54Mbps

Consumo20.8 mA en Tx6 A en reposo

40 mA en Tx0.2 mA en

reposo

400 mA en Tx20 mA en

reposo

Conexión

Se puede conectar a la red un gran número de dispositivos

Su conexión es limitada

Muchas redes conectadas a un administrador principal

Ámbito de aplicación

Dispositivos portátilesDomótica, iluminación sensores…

Dispositivos portátiles

Internet y redes de ordenadores

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Índice de contenidos Patologías de la construcción

Objetivo del PFC

Redes de sensores y tecnología ZigBee

Waspmote y sensores

Pruebas de aplicación con Waspmote

Conclusiones y líneas futuras

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Waspmote y sensoresBajo consumoArquitectura modularFunciona para diferentes protocolos y

frecuenciasCompatible con más de 50 sensoresProgramación en C++ y API Open Source

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Waspmote y sensores

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Waspmote y sensores

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Waspmote y sensores

Módulos de comunicación Xbee

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Waspmote y sensores

Waspmote Gateway

Recomendable para: aplicaciones con pocos nodos en interiores realizar pruebas mientras se configura la red.

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Waspmote y sensores

Sensores

• PLACA DE EVENTOS

• PLACA DE SMART CITIES

- Doblez / Curvatura

-Desplazamiento Lineal- Detección de Grietas- Propagación de Grietas- Temperatura

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Waspmote y sensoresPlaca de Eventos

Aplicaciones

ESPECIFICACIONESPeso: 20grDimensiones: 73,5 x 51 x 1,3 mmRango de temperatura: [-20ºC, 65ºC]CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS

Tensión de alimentación: 3.3V Tensión de potencia: 3.3V Corriente máxima admitida (continua): 200mACorriente máxima admitida (pico): 400mA

•Seguridad•Emergencias•Control de mercancías en logística

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Waspmote y sensores

Sensor de Doblez (FLX-01-H)

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Waspmote y sensoresPlaca de Smart Cities

ESPECIFICACIONESPeso: 20grDimensiones: 73,5 x 51 x 1,3 mmRango de temperatura: [-20ºC, 65ºC]CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICASTensión de alimentación: 3.3V y 5 V Tensión de potencia: 3.3V Y 5 VCorriente máxima admitida (continua): 200mACorriente máxima admitida (pico): 400mA

Aplicaciones• Mapas de ruidos• Monitorización de la salud estructural• Calidad del aire• Gestión de residuos

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Waspmote y sensores

Detección de Grietas

Propagación de Grietas

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Waspmote y sensoresSocket donde van conectados el sensor de

Detección y Propagación de Grietas

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Waspmote y sensoresDesplazamiento lineal

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Waspmote y sensores

TemperaturaPin 1 = VCCPin 2 = OutPut Pin 3 = GND

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Waspmote y sensoresIDE Waspmote Waspmote V 1.1

IDE – V. 02 para Windows

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Waspmote y sensores

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Waspmote y sensores

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Índice de contenidos Patologías de la construcción

Objetivo del PFC

Redes de sensores y tecnología ZigBee

Waspmote y sensores

Pruebas de aplicación con Waspmote

Conclusiones y líneas futuras

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Pruebas de aplicación con Waspmote

1. Prueba sensor de Doblez / Curvatura2. Prueba sensor Desplazamiento Lineal3. Prueba sensor de Detección de Grietas4. Prueba sensor de Propagación de Grietas5. Prueba sensor de Temperatura6. Correcto funcionamiento de la micro SD7. Ajuste del reloj, fecha y hora8. Prueba Final

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Pruebas de aplicación con Waspmote

Sensor de Doblez / Curvatura

36

Pruebas de aplicación con Waspmote

Sensor de Doblez / Curvatura

GATEWAY :

0013A200

409156C5

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Pruebas de aplicación con WaspmoteSensor de Desplazamiento Lineal

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Pruebas de aplicación con Waspmote

Sensor de Detección de Grietas

39

Pruebas de aplicación con Waspmote

Sensor de Propagación de Grietas

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Pruebas de aplicación con Waspmote

Sensor de Temperatura

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Pruebas de aplicación con Waspmote

Correcto funcionamiento de la micro SD

1) Activar SD2) Crear fichero3) Crear archivo4) Crear .txt5) Mostrar lo escrito: - USB - Abrir .txt o

WordPad

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Pruebas de aplicación con Waspmote

Ajuste del reloj, fecha y horaRTC.setTime("15:06:04:05:10:26:00")RTC.getTime()

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Pruebas de aplicación con WaspmotePrueba Final

¿QUÉ QUEREMOS CONSEGUIR?

Realizar medidas con los sensores de:

Temperatura Desplazamiento

Lineal Detección de Grietas

Guardar medidas en la micro SD

Medidas durante 1 año

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Pruebas de aplicación con Waspmote¿Cuántas medidas es capaz de almacenar

nuestra tarjeta micro SD de 2 GB durante un año?1 GB = 1024 MB y 1MB = 1024 KB

Valor para TT de 1.918.894,08 KB

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Pruebas de aplicación con WaspmoteDatos:TT = tamaño total de la memoria.TL = tamaño por medida. 1 medida = 100 Bytes = 0.1 KB

Nº de medidas por minuto durante un año 36.5

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Pruebas de aplicación con Waspmote

Para nuestro caso

Tarjeta micro SD de 191894 KB de memoria

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Pruebas de aplicación con Waspmote¿Qué ocurrirá si se mantiene nuestro

Waspmote encendido durante 1 año? ¿ Es capaz nuestra batería de aguantar?Consumo de Waspmote para diferentes modos de funcionamiento:ON: 9mASleep: 62μADeep Sleep: 62μAHibernate: 0.7μA

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Pruebas de aplicación con Waspmote

Waspmote encendido durante 1 año

Donde: Tnodo = tiempo que durará la batería del nodoQbat = carga de la batería en mAhTON = tiempo que está encendido el nodoION = consumo del nodo cuando permanece

encendido

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Pruebas de aplicación con WaspmoteComprobación para los siguientes modos

Tiempo que dura una medida

IOFF

Deep Sleep = 62 μA

Hibernante = 0 A

TON

TOFF

Tint

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Pruebas de aplicación con Waspmote

Ecuación:

Donde:IOFF = consumo del nodo cuando permanece en Deep Sleep o

Hibernante.TOFF = tiempo que está el nodo en Deep Sleep o Hibernante.

Modo Deep Sleep:

Hibernate:

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Variables

Void Setup ( )

• Inicializamos las configuraciones• Creamos:

un directorio para el fichero una carpeta un .txt para guardar las medidas

Void Loop ( )

• Lectura de los sensores.• Escribimos en el .txt la medida de cada sensor• Entro en modo de bajo consumo durante 10 min• Salgo del modo de bajo consumo

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Pruebas de aplicación con Waspmote

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Pruebas de aplicación con Waspmote

Abrimos el .txt con WordPad

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Índice de contenidos Patologías de la construcción

Objetivo del PFC

Redes de sensores y tecnología ZigBee

Waspmote y sensores

Pruebas de aplicación con Waspmote

Conclusiones y líneas futuras

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Conclusiones y líneas futurasConclusiones: Estudio de las patologías constructivas Estudio del Hardware libre Waspmote

Hemos comprobado el correcto funcionamiento de lo sensores y

hemos aprendido a programarlos Hemos guardado los datos de los sensores en una tarjeta micro

SD Hemos evaluado la capacidad de la memoria para guardar

datos Hemos comprobado diferentes modos de ahorro de batería

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Conclusiones y líneas futuras

Líneas futuras: Pruebas en estructuras arquitectónicas que necesiten

estudio

Integración de nuevos módulos o sensores

Implementación de una red de sensores inalámbrica haciendo uso del protocolo de comunicación ZigBee estudiado

Subir datos a una plataforma online

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Presupuesto total

58

AGRADECIMIENTOS

A todos los que me han apoyado y ayudado a conseguir mi meta