proyecto integrador de la carrera de ingenierÍa

PROYECTO INTEGRADOR DE LA

CARRERA DE INGENIERÍA NUCLEAR

Estudios sobre la aplicación de sensores inalámbricos

móviles a problemas de detección y seguimiento de

fuentes radioactivas.

Pablo Matías Dupuy

Autor

Oscar R. Fernández

Director

Félix Maciel

Co-director

San Carlos de Bariloche

Junio 2006

Instituto Balseiro

Universidad Nacional de Cuyo

Comisión Nacional de Energía Atómica

Argentina

Dedicado a quien fuera mi fuente de inspiración, móvil de todo ideal para lograr una

sociedad mejor, a Andrea...

Resumen

Se propone analizar la posibilidad de utilizar nuevas tecnologías para solucionar

problemas de control continuo de fuentes radioactivas.

Se realiza un estudio teórico y práctico sobre la factibilidad de instrumentar ins-

talaciones nucleares o con material radioactivo utilizando redes inalámbricas de sen-

sores. Para evaluar las distintas opciones a la hora de implementar estas redes es ne-

cesario conocer las características técnicas de las mismas. Se expone en el presente

trabajo una descripción del estado de la técnica en materia de sensores inalámbri-

cos y componentes relacionados a los mismos como detectores, antenas y fuentes de

alimentación incluyendo las de origen nuclear.

Se realizaron experimentos y mediciones para estudiar el comportamiento de las

transmisiones inalámbricas con un enfoque particular en su dispersión, los consu-

mos involucrados e interfaz de hardware y sensores.

Con esta base se diseñó un sistema para satisfacer los problemas presentes en

las aplicaciones propuestas. Se describe su funcionamiento y su implementación.

Se lograron aportes en dos tópicos principales de esta tecnología: Base de Datos y

Seguimiento de dispositivos móviles.

Tres proyectos de factibilidad son encarados apoyados en el sistema diseñado.

Las características más distintivas de las aplicaciones estudiadas son el control con-

tinuo de fuentes radioactivas y un monitoreo en tiempo real de la tasa de dosis reciba

por personal de instalaciones nucleares.

Palabras clave: Redes de Sensores Inalámbricas, Fuentes Radioactivas, Energía,

Salvaguardias, Sensores, Nuclear.

III

Abstract

International efforts are being conducted to warranty a continuous control of

radioactive sources.

A theoretical and practical study has been achieved about the feasibility of insta-

lling wireless sensor networks on nuclear installations, or plants that uses radioac-

tive material. The study is faced through the implementation of a system designed

over the relatively new platform of motes, that gives a great flexibility for distri-

buting sensors taking advantages of new wireless technologies and high-level pro-

gramming.

The work shows an analysis of the state of the technique of sensors, detectors,

antennas and power supply including nuclear power supply. It also shows contri-

butions on these fields by experimentation and proposed designs.

Three applications that justify the technology are shown and a demonstration

project is proposed. The social improvements of the system basically are a techni-

cal approach to the continuous control of radioactive sources during their life cycle

and the online monitoring of the staff with the possibility of identifying and opti-

mizing the procedures that are the maximum of expositions in practice or detecting

potentials expositions.

Keyword: Wireless Sensor Networks, Radioactive Sources, Energy, Safeguards,

Direct Energy Conversion, Nuclear.

IV

Índice general

Índice de Figuras VIII

Índice de Tablas X

1. Introducción 1

1.1. Organización del trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2. Descripción del Estado de la Técnica 4

2.1. Redes inalámbricas de sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.1.1. Módulos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.2. Características Eléctricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.2.1. Sin tensión de referencia y sin oscilador . . . . . . . . . . . . . 9

2.3. Radio Frecuencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.4. Sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.4.1. Interfaz de Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.4.2. Presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.4.3. Humedad y Temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.4.4. Determinación de otras magnitudes . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.5. Interacción con la Radiación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.5.1. Generalidades acerca de los dispositivos sensibles a la radiación 23

2.5.2. Dosímetro electrónico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.5.3. Cámara de Ionización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.6. Sistemas de alimentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.6.1. Consideraciones al usar pilas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.6.2. Conversión Directa de Energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.6.3. Celdas betavoltaicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

V

ÍNDICE GENERAL

2.6.4. Celdas gammas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3. Descripción del Sistema Diseñado 30

3.1. Módulos en TinyOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.1.1. Módulo: Nodo de Acceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.1.2. Módulo: Miembro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.2. Servidor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.2.1. Compilado Multiplataforma y distribuido como binarios. . . 35

3.2.2. Base de Datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.2.3. Monitores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.2.4. Algoritmos de Localización y Seguimiento . . . . . . . . . . . 39

4. Aplicaciones 45

4.1. Preparación del entorno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4.1.1. Instalación del Servidor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.1.2. Instalación de los nodos de acceso . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.2. Administración de Fuentes Radioactivas . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.2.1. La incorporación de una fuente . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.2.2. Procedimientos de gestión de fuentes radioactivas . . . . . . . 49

4.2.3. Escala de la supervisión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

4.2.4. Redundancia del control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

4.2.5. Seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

4.2.6. Propuesta de Preproyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

4.3. Protección Radiológica Personal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

4.4. Pruebas de Contención . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

4.4.1. Prueba de Presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

4.4.2. Velocidad de Fuga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

5. Conclusiones 61

A. Planificación del trabajo 63

B. Servidor 65

B.1. Instalación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

B.2. Detalles de la implementación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

VI

ÍNDICE GENERAL

B.3. Como utilizar WDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

C. ASECQ 68

C.1. Preparación de los Elementos Combustibles . . . . . . . . . . . . . . . 69

C.1.1. Pileta de Decaimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

C.1.2. El Canasto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

C.1.3. Salvaguardia. Inspección Random . . . . . . . . . . . . . . . . 69

C.2. Lavado, Secado y Soldadura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

C.3. Transporte hasta el silo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

C.4. Almacenamiento en silo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

D. Celdas Betavoltáicas 72

Referencias 74

Agradecimientos 76

VII

Índice de Figuras

2.1. Tmote Sky. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2. Consumos al transmitir. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.3. Consumos al recibir. Se observan distintas longitudes de mensaje . . 12

2.4. Verificación experimental de la independencia del indicador RSSI con

la alimentación suministrada por encima de 2,5 V. . . . . . . . . . . . 13

2.5. Variación en la intensidad de la señal en la presencia de otro medio,

agua. Se observa un salto finito, debido a la interfaz agua-aire de más

de 25 dB y la correlación para espesor de medio acuoso. . . . . . . . . 15

2.6. Atenuación de la señal con la Distancia. Terreno plano. . . . . . . . . 16

2.7. Atenuación de la señal con la Distancia con gran Dispersión. Terreno

irregular. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.8. Perturbaciones producidas por variar la orientación de forma aleato-

ria del mote repetidor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.9. Grafico de Residuos. Comparación entre cálculo acorde al fabricante

y resultados experimentales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.10. Circuito electrónico para aumentar la precisión de la adquisición de

un sensor utilizando dos entradas ADC y una salida DAC. . . . . . . 20

2.11. Consumo y estimación de la duración de baterias para un módulo

que transmite a una dada tasa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.12. Medición de producción de energía con gammas de EECC gastados

mediante la interacción de celdas solares. . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.1. Descripción de la comunicación entre Motes Miembros y Nodos de

Acceso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.2. Tareas del Nodo de Acceso. Generación del encabezado de Tracking . 32

VIII

ÍNDICE DE FIGURAS

3.3. Estados principales del módulo miembro. Con conexión y sin cone-

xión son dos bloques para ejecutar distintas instrucciones. . . . . . . 34

3.4. Diagrama UML de Clases Principales del Servidor WDS. . . . . . . . 35

3.5. Versión embebida y externa de base de datos MySQL. Diagramas de

distribución en UML para mostrar los dos modos de funcionamiento. 37

3.6. Monitor Reactivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.7. Diagrama UML de clases del Monitor Proactivo. . . . . . . . . . . . . 40

3.8. Distribución de las señales RSSI para una posición en el RA-6. . . . . 43

4.1. Retos para lograr un buen uso de Fuentes Radioactivas junto con las

mejoras introducidas por el control con monitores. . . . . . . . . . . . 48

4.2. Descripción de los actores principales del sistema para la aplicación

de administración de fuentes radioactivas. . . . . . . . . . . . . . . . 52

A.1. Distribución de tareas del Proyecto Integrador en un diagrama de

Gantt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

IX

Índice de Tablas

2.1. Características técnicas de los modelos comerciales . . . . . . . . . . 6

2.2. Pesos de los componentes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.3. Los distintos estados para los componentes del MSP430. . . . . . . . 10

2.4. Ganancia de Antenas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.5. Valores medidos para atenuación en agua . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.6. Relación de las antenas con la distancia. Analísis de la Fig. 2.6 . . . . 16

2.7. Ajuste del ADC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.8. Características técnicas para el diseño de sistemas utilizando sensores

de presión de FreeScale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.9. Características del sensor de humedad relativa y temperatura SHT15. 21

2.10. Opciones según detector y polarización . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.11. Valores para el circuito equivalente de Thevenin de la fuente de Con-

versión Directa de Energía para el Panel Solar. . . . . . . . . . . . . . 28

3.1. Diferencias entre las dos jerarquías de módulos . . . . . . . . . . . . 32

4.1. Rangos y sensibilidades requeridas para los sensores en una prueba

de velocidad de fuga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

4.2. Propuesta de continuación para llevar a cabo proyecto de Pruebas de

Velocidad de fuga con módulos Tmote Sky. . . . . . . . . . . . . . . . 59

D.1. Parámetros técnicos estimados del semiconductor poroso publicados

en [10] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

D.2. Productos ofrecidos por BetaBatt. Valores iniciales. Tamaño de fuente:

2,4 cm de diámetro y 1,7 mm de espesor. . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

X

Capítulo 1

Introducción

En septiembre del año 1987 una fuente radioactiva fue sustraída de una instala-

ción abandonada. La concecuencia de esta acción fueron 14 personas sobreexpuestas

a la radiación de las cuales cuatro murieron en las subsiguientes cuatro semanas.

Aproximadamente 112 000 personas fueron monitoreadas encontrándose 249 de

ellas contaminadas. El operativo de descontaminación produjo 5000 m3 de desecho

radioactivo. La fuente estuvo más de tres años oculta en la instalción abandonada

hasta ser encontrada y liberada al medio. La misma fue detectada 13 días despues,

cuando el daño ya se había producido.

Episodios como estos pueden ser reducidos y acotados enormemente al reducir

los tiempos entre sucesos, contando con un sistema que detecte automáticamente y

de forma temprana el extravío de una fuente radioactiva.

La miniaturización de la tecnología ha permitido evolucionar durante aproxima-

damente 40 años siguiendo la Ley de Moore, donde la densidad de transistores en

circuitos ha aumentado a tal grado que ha permitido circuitos más pequeños. Tam-

bién la evolución de Micro Electro Machines (MEMS) ha permitido integrar capacida-

des de sensado como radiación, temperatura, humedad, etc. que junto a transmisor

y receptor de radiofrecuencia integrados en un único componente (transceivers) de

bajo consumo ha dado origen a una nueva plataforma llamada Redes de Sensores

Inalámbrica (WSN: Wireless Sensor Networks), con capacidades igualmente pequeñas

de realizar comunicaciones inalámbricas, sensado, procesamiento y almacenamien-

to de datos.

La Universidad de California, en Berkeley, integró hardware existente y realizó

1

1. INTRODUCCIÓN Organización del trabajo

un importante aporte a esta tecnología que es el entorno de software TinyOS que

está en desarrollo actualmente como un proyecto de cooperación entre varios parti-

cipantes a través de Internet hospedado dentro del sitio SourceForge.

La reciente norma IEEE 802.15.4 aprobada en el año 2003 define el protocolo para

comunicación entre dispositivos de baja tasa de comunicación, bajo consumo y baja

complejidad mediante transmisiones de frecuencias de radio de bajo consumo.

Esta capacidad de bajo consumo, sensado y comunicación sin cables hace a las

redes de sensores inalámbricas una opción atractiva al problema de seguimiento de


1.1. Organización del trabajo

En el marco de la tecnología de sensores inalámbricos se propone evaluar la im-

plantación de los mismos en instalaciones nucleares. Los objetivos tecnológicos e

ingenieriles a abordar en el presente trabajo son:

Estudiar el comportamiento de las transmisiones de radiofrecuencia y de la

medición de la potencia de señal para predecir configuraciones óptimas e im-

plementar seguimiento de modulos.

Caracterizar los sensores relacionados con las aplicaciones propuestas, y su

implementación en los módulos de sensado.

Diseñar un sistema que sea lo suficientemente flexible y genérico para utilizar

en otras aplicaciones.

Describir el desarrollo y prefactibilidad de tres aplicaciones que utilizan el sis-

tema desarrollado.

Se comenzará primero en el capítulo 2 por un análisis exhaustivo de la tecno-

logía actual a utilizar en los módulos motes con especial interés en la precisión e

incertezas de los sensores. El desarrollo realizado en materia del diseño del siste-

ma es expuesto aparte en el capítulo 3, donde dos desarrollos bien distintos fueron

realizados: aplicación de servidor y módulos estableciendo una jerarquía para los

nodos de las redes de sensores.

2

1. INTRODUCCIÓN Organización del trabajo

A continuación tres aplicaciones son estudiadas basándose en esta tecnología y

haciendo uso del sistema diseñado. Primero es descrito un sistema de seguimiento

de fuentes radioactivas. La lista de accidentes y situaciones que sirven de antece-

dente y motivación para la aplicación propuesta es por desgracia extensa. Las tareas

realizadas consisten en proveer un sistema para redundar las tareas de administra-

ción de inventario radioactivas utilizando un sistema automático de seguimiento

de fuentes radiactivas. Esta aplicación pretende dotar a las redes inalámbricas de

sensores de un rol y función ulterior. No es limitada a centrales nucleares, sino to-

do lo contrario. El análisis de la factibilidad de esta aplicación es desarrollada en la

sección 4.2.

La siguiente aplicación, descripta en la sección 4.3, puede ser utilizada en per-

fecta coexistencia con la aplicación que la precede. Se basa en la implementación de

dosímetros personales inalámbricos utilizando la tecnología de motes. Las capaci-

dades de sensado de los motes permiten comportarse como un dosímetro personal

de los utilizados en instalaciones nucleares. La ventaja desarrollada es la transmi-

sión de la tasa de dosis de radiación en tiempo real junto con información de la

localización del sensor. Se expone únicamente la implementación del sistema y si-

mulaciones de su funcionamiento.

Por último se muestra la justificación técnica de la implementación de esta tec-

nología para realizar pruebas de contención y de pérdida de fugas en reactores nu-

cleares en la sección 4.4 donde es tratado en más detalle.

Finalmente se resumen las conclusiones, propuestas de continuación y extensión

del presente trabajo.

3

Capítulo 2

Descripción del Estado de la Técnica

2.1. Redes inalámbricas de sensores

El Instituto de Ingeniería Eléctrica y Electrónica (Institute of Electrical and Electro-

nics Engineers o IEEE) genera normativa en varios campos de aplicación. La familia

802 norma sobre redes de area local y metropolitanas. Estas redes transportan pa-

quetes de datos de tamaño variable (a diferencia de las redes de celulares por ejem-

plo). Los servicios y protocolos definidos en las normas tratan sobre las dos capas

inferiores del modelo, de siete capas de referencia, OSI: capas física y de enlace. Se

listan 21 grupos de normas dentro de la sección 802, de las cuales se enumeran a

continuación las más conocidas:

802.3 Ethernet

802.11 Red local inalámbrica (o Wi-Fi)

802.15 Red de área personal inalámbrica

El grupo correspondiente es el 802.15, que a su vez se divide en los siguientes 4

grupos de tareas:

802.15.1 Bluetooth

802.15.2 Coexistencia entre 802.15 y 802.11

802.15.3 Gran ancho de banda (20 Mbits o superior)

4

2. DESCRIPCIÓN DEL ESTADO DE LA TÉCNICA Redes inalámbricas de sensores

802.15.4 Baja tasa de transferencia (250 kbps, 40 kbps y 20 kbps)

Sobre la norma 802.15.4 se yergue el protocolo zigbee. Tres frecuencias estan per-

mitidas por la 802.15.4: 2,4 GHz, 915 MHz y 868 MHz; con 16, 10 y 1 canal respecti-

vamente. La red de uso Industrial, Científico, Médico (ISM) corresponde a la banda

de los 16 canales en 2,4 GHz. Estos canales pueden ser utilizados sin la necesidad

de solicitar licencia o permiso alguno, son de uso libre. Es importante observar que

si bien redes de internet inalámbricas 802.11 pueden ser encontradas en 2.4 GHz, se

tratan de normas distintas con especificaciones distintas para usos distintos.

La red inalámbrica de sensores funciona bajo la norma 802.15.4. Es una red com-

puesta de varios módulos de sensores y uno o varios módulos base que centralizan

los datos de los sensores hacia un servidor.

Los módulos de sensado son pequeñas computadoras muy básicas, con reduci-

das interfaces y componentes. Usualmente consisten en una única central de proceso

con limitado poder computacional y memoria, sensores, una interfaz de comunica-

ción como transceivers y fuente de alimentación. Los dispositivos estudiados son

descriptos en más detalle en la sección 2.1.1. Las estaciones base pueden ser dis-

positivos idénticos, con la diferencia que no presentan restricciones tan grandes al

consumo, por lo que pueden tener las capacidades computacionales, consumo de

energía y recursos de comunicación ampliados.

Las aplicaciones de estas redes son numerosas y variadas. En general los campos

de aplicaciones van desde monitoreo de la vida salvaje hasta aplicaciones indus-

triales en ambientes hostiles. Este segundo caso es el central para el presente tra-

bajo, donde el escenario es un ambiente con radiación. No obstante el seguimiento

de fuentes radioactivas propuesto como aplicación en la sección 4.2 bien puede ser

comparado con el seguimiento de algún animal en su ambiente natural sin pertur-

barlo y de por vida.

Los campos de desarrollo actuales de esta tecnología son los siguientes:

Hardware. Lograr nodos de sensado pequeños, de menor costo y consumo. Ac-

tuales evoluciones en MEMS y NEMS están liderando estos desarrollos.

Software. Estas redes fueron diseñadas para ser desplegadas en grandes núme-

ros, de forma ad-hoc, en lugares remotos y hostiles. Los subtópicos son: maxi-

5


Tabla 2.1: Características técnicas de los modelos comerciales

Modelo Tmote Sky MICA2 MICA2DOT

MPR400C

RAM kB 10 512 512

Flash Program Memory kB 48 128 128

Frequency MHz 2400 868/916 868/916

Ancho de banda kbps 250 38,4 38,4

Tensión mínima V 2,1 2,7 2,7

Tensión máxima V 3,3 3,3 3,3

mización de los tiempos de vida, robustez y tolerancia a fallas, auto configu-

ración, seguridad, movilidad.

Middleware. El diseño e implementación de primitivas a un nivel intermedio

entre software y hardware.

Una característica particular de estas redes, es que presentan algoritmos de co-

municación distintos a otras redes como las de Internet. El nuevo escenario presenta

algoritmos distribuidos, con anchos de banda reducido y una búsqueda en econo-

mizar los recursos de cada nodo.

2.1.1. Módulos

Los módulos de sensado, o Motes como se los denomina en la jerga técnica, re-

presentan los nodos de las redes de sensores. El hardware utilizado y en el que se

centra el presente trabajo fueron los Tmote Sky que se muetra en la Fig. 2.1. Sus ca-

racterísticas técnicas más relevantes se muestran en la tabla 2.1 comparándolo con

otros motes de la misma familia.

Son de tamaño reducido, 3× 8× 0,6cm. El peso de los componentes se resume

en la Tabla 2.2. Los componentes internos se pueden apreciar en la Fig. 2.1.

Microcontrolador

El microcontrolador integrado en los Tmote Sky es el MSP430 F1611 de Texas Ins-

truments [12]. Es considerado un microcontrolador de ultra baja potencia. Conver-

6


Tabla 2.2: Pesos de los componentes.

Componente Pesado Individualmente Peso [g]

Tmote Sky 16,7

SuperCapacitor 11,1

Pila 23,9

Antena 3dB 14,0

Antena 5dB RD 28,6

Figura 2.1: Tmote Sky.

sores DAC y ADC de 12 bits, ideales para mediciones de alta precisión. Los accesos

a memoria se realizan con direcciones pares unicamente.

Transceiver

El Transceiver utilizado por los modulos es un CC2420 de CHIPCON [11] que

hoy en día es parte de Texas Instruments. La frecuencia de operación es en la banda

ISM, 2,4 GHz.

El chip tiene la capacidad de medir la intensidad de señal recibida y almacena

este valor en un registro llamado RSSI que puede ser accedido desde fuera. La señal

7

2. DESCRIPCIÓN DEL ESTADO DE LA TÉCNICA Características Eléctricas

RSSI tiene un error de corrimiento de cero que se ha verificado empiriciamente por

los fabricantes de -45 dB. Esto significa que si el registro RSSI del chip vale -40, el

valor más probable para la verdadera potencia es -85 dBm. La unidad dBm está

definida en 2.1. Es decir -85 dBm es 300 mil veces menor que 1mW, es decir 3 pW.

dBm = 10 logP

1mWP = 10

dBm10 1mW (2.1)

2.2. Características Eléctricas

Cada componente del módulo Tmote Sky presenta un consumo particular. Por

otro lado estos componentes tienen subcomponentes que nuevamente difieren en

consumos. Se analizarán dos componentes principales:

Microcontrolador MSP430 [12]

CPU

Reloj Auxiliar, (ACLK)

Reloj de Sistema, usado por CPU (MCLK)

Reloj de Sub-Sistemas, usado por módulos periféricos (SMCLK)

Oscilador digitalmente controlado (DCO)

Transceiver CC2420 [11]

Oscilador

Tensión de Referencia

La habilitación o deshabilitación de los componentes del microcontrolador MSP430

se maneja con los 5 distintos modos de sleep que se detallan en la Tabla 2.3.

Es importante observar que los consumos del componente de radio CC2420 son

muy superiores a los del microcontrolador. Este último representa uno de los dise-

ños de menor consumo de mercado, mientras que los consumos para el componente

de radio superan estos consumos.

El regulador de tensión, permite entradas de tensión desde 2,1 V para producir

el valor deseable de 1,8 V que requiere el chip. Esto explica porque las lecturas de

8

2. DESCRIPCIÓN DEL ESTADO DE LA TÉCNICA Características Eléctricas

RSSI no son afectadas por el estado de la fuente de alimentación como se verificó

experimentalmente en la Fig. 2.4. El consumo de este componente según catálogo

[11] es de 20 µA. Si el regulador es apagado el consumo cae a 0,02 µA. Por otro

lado, si el oscilador está encendido junto con el regulador de tensión el consumo

asciende a 426 µA.

En modo pasivo, con el regulador de tensión y oscilador del componente CC2420

apagados y en Modo de bajo consumo 3 para el microcontrolador se ha logrado un

consumo mínimo de 1,8mA que dista mucho de los pocos µA que indica el catálogo.

Esta es la menor corriente que se ha conseguido experimentalmente en un módulo

Tmote Sky en su conjunto (estudiando a todo como un módulo y no cada compo-

nente en particular). Y sin perder capacidades de transmisión. Esto quiere decir con

capacidades de despertar el microcontrolador y radio para transmitir mensajes. El

modo de bajo consumo que sigue apaga todo como se detalla en 2.3 y no es posible

despertar para transmitir.

Luego de transmitir y de ordenar el apagado de los componentes se observa un

consumo extra transitorio. De 1,8 mA asciende a 4 mA. Este transitorio decae con

el tiempo con un comportamiento del tipo exponencial, con un período característi-

co de unos pocos segundos. Transcurridos aproximadamente 4 segundos ya puede

considerarse como el consumo mínimo.

Se ha encontrado una implementación poco optimizada para aplicaciones de ba-

jo duty cycle por parte del TinyOS. Por lo tanto se ha recurrido a apagar los com-

ponentes desde la capa de aplicación, es decir a alto nivel. Se espera que TinyOS,

siendo una plataforma en constante evolución, agregue estas optimizaciones en fu-

turas versiones.

2.2.1. Sin tensión de referencia y sin oscilador

EL proceso de encendido e inicialización de los componentes comienza (7,5 ± 1) ms

antes del instante de la transmisión como se observa en la Fig. 2.2. El primer pico de

consumo es de (8,5 ± 0,1) µA s mientras que la transmisión presenta un compor-

tamiento más dispersivo. Esta transmisión realiza chequeos de condiciones internos

y/o del medio de transmisión que dan como resultado los dos núcleos de consumo

de la Fig. 2.2. El consumo total de todo el proceso de envío oscila entre (66 ± 5) µA s

9

2. DESCRIPCIÓN DEL ESTADO DE LA TÉCNICA Radio Frecuencia

Tabla 2.3: Los distintos estados para los componentes del MSP430.

Estado CPU MCLK SMCLK ACLK DCO

Activo X X X X XModo 0 7 7 X X 7

Modo 1 7 7 X X †Modo 2 7 7 7 X XModo 3 7 7 7 X 7

Modo 4 ‡ 7 7 7 7 7

† Si DCO es usado en modo activo.

‡ Se detiene el reloj.

y (105 ± 5) µA s siendo imposible encontrar una correlación que diferencie entre

distintas longitudes de paquetes y distintas potencias de emisión.

El consumo del proceso de recepción es menos sensible al evento de recepción,

debido a que para recibir un paquete el chip CC2420 debe estar con el regular encen-

dido y oscilador, por lo que opera en condiciones normales con consumos cercanos

a 19 mA. Por sobre este nivel se observan picos de 2mA adicionales en la Fig. 2.3.

2.3. Radio Frecuencia

Estudiar el comportamiento de las señales de radio resulta una tarea indispen-

sable para planificar y diseñar una aplicación de redes de sensores inalámbrica. En

particular si se desea obtener información adicional relacionada con la potencia de

recepción de tales señales. Básicamente se proponen dos mecanismos para medir

distintos comportamientos de estas señales, uno es medir el consumo del mote e in-

ferir información de los picos de consumo provocados por la emisión y/o recepción

de un paquete de datos. La otra medición de valor, es la realizada por el chip CC2420

sobre la intensidad de señal recibida. Esta información es grabada en un registro del

chip y puede ser accedida por el microcontrolador. Esta magnitud es definida por la

IEEE como indicador de fuerza de señal o RSSI (Receive Signal Strength Indicator).

Muchas son las aplicaciones que se basan en la estimación del indicador de in-

tensidad de recepción de señal, RSSI, por lo que resulta de interés estudiar su de-

10


0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

5

10

15

20

25

30

Con

sum

o [m

A]

Tiempo [mseg]

Extremos de las Oscilaciones en el consumoen el proceso de transmisión

Extremo inferior del consumo Extremo superior del consumo

Figura 2.2: Consumos al transmitir.

pendencia con el estado de la fuente de alimentación del dispositivo. La Fig. 2.4

muestra la verificación experimental de la independencia del indicador RSSI con

la alimentación suministrada. Se observa fuera del rango de operación normal, en

particular debajo de 2,5 V, una notable disminución en la señal. Si el módulo que se

ha quedado en un régimen de suministro eléctrico mínimo, es el mote que envía la

señal esta disminución es mayor 1 dB. Por otro lado si el mote con baja alimentación

es el que recibe, la disminución es mayor, supera 1,6 dB. Es decir la sensibilidad y el

empobrecimiento de la señal RSSI lo sufre más el mote que transmite con respecto

al que recibe.

Se puede observar además que existe una dispersión intrínseca de 1 dB, que

aumenta al irse fuera del rango de operación normal. Debajo de 2,7 V esta dispersión

aumenta a más de 0,3 dB.

La independencia en el rango superior se debe a que el chip CC2420 opera con

11


-2 -1 0 1 2 3

19,0

19,5

20,0

20,5

21,0

21,5

Cor

rient

e [m

A]

Tiempo [ms]

Recepción Payload de 6 Bytes Payload de 12 Bytes

Figura 2.3: Consumos al recibir. Se observan distintas longitudes de mensaje

una tensión de 1,8 V. Por este motivo, cuenta con un regulador de tensión que adap-

ta desde los 3 V a los 1,8 V necesarios. Por este motivo, variaciones a la entrada son

reguladas de forma eficiente y no llegan a afectar al chip en un rango pequeño. Si

bien el límite inferior para el regulador es acorde al manual [11] 2,1 V, el compor-

tamiento deja de ser normal a 2,7 V, para acrecentarse notablemente por debajo de

2,5 V. Es importante observar que es posible hacer funcionar los motes con una ten-

sión de 2,1 V, salvando las penalizaciones fuerza de señal durante la transmisión y

recepción de paquetes.

Se han probado los módulos con dos antenas comerciales. Para utilizar estas an-

tenas, hay que soldar el correspondiente conector SMA al mote, y realizar un co-

nexionado que deshabilita la antena integrada del mote para habilitar el camino al

conector SMA (ver Fig. 2.1). Esta conexión se realiza desoldando y soldando en otra

posición un capacitor de unos pocos milímetros de tamaño.

12


2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7 2,8 2,9 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4-2,4

-2,2

-2,0

-1,8

-1,6

-1,4

-1,2

-1,0

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

Pote

ncia

[dB

]

Alimentación [Volt]

Recepción Envío

Figura 2.4: Verificación experimental de la independencia del indicador RSSI con la alimentación

suministrada por encima de 2,5 V.

Las antenas adquiridas son según catálogo de 5 y 3 dB, conector SMA inverso.

En la tabla 2.4 se muestran las diferencias respecto a la antena interna. Las pruebas

fueron realizadas en un cuarto a una distancia aproximada de 1,5m. Las ganancias

fueron analizadas utilizando la antena externa para señales de recepción y de envío.

La mejora es equivalente para ambos casos. Se observa una mejora de hasta 10 dB

en la ganancia de la señal.

Se realizaron diversos estudios para la determinación de formulas empíricas de

la atenuación en distintas condiciones. Otros trabajos ya existentes[6] presentan re-

sultados complementarios. Los parámetros que influyen en el nivel de la señal son

numerosos.

La Fig. 2.5 muestra la variación en la intensidad de la señal en la presencia de

otro medio aparte del aire, agua en este caso. Se observa un salto finito en la inter-

faz agua-aire de más de 25 dB. En la tabla 2.5 se muestran las correlaciones para

espesor de medio acuoso. El rango de las señales en agua se estima de 10 a 12 cm.,

dependiendo si se utiliza o no antena.

Como dato adicional se midió la transmisión a través de la pared de un caño de

13


Tabla 2.4: Ganancia de Antenas

Emisor Receptor Ganancia Gan. Relativa Dispersión

Integrada → Integrada −17 dB 0 dB 1,5 dB

Integrada → Rígida en L 3dB −9,6 dB 7,4 dB 1,3 dB

Rígida en L 3dB → Integrada −10,3 dB 6,7 dB 1,7 dB

Integrada → Rubber Duck 5dB −6,26 dB 10,7 dB 1,1 dB

Rubber Duck 5dB → Integrada −5,36 dB 11,6 dB 1,2 dB

Tabla 2.5: Valores medidos para atenuación en agua

Interfaz agua/aire 30 dB

Profundidad de agua (−3,4± 0,1) dBcm

3 mm. de espesor que fue de aproximadamente -30 dB. Cabe mencionar que los tu-

bos metálicos se comportan en parte como jaula de Faraday, y por otro lado tienden

a canalizar las ondas en su interior. Este último efecto intensificaba la señal cana-

lizándola, pero solo en el interior del caño. Estos datos son complementarios al de

espesor de agua y muestran que los sensores inalámbricos no son buenos candidatos

para utilizar en cañerías en general.

La atenuación por posición también es complicada de analizar. El caso más sim-

ple es de un medio sin perturbaciones físicas. Si bien esto es complicado de conse-

guir, lo más cercano es un suelo llano de gran extensión sin edificios ni árboles en las

áreas cercanas. Se puede observar esta buena correlación en la Fig. 2.6. Hay algunos

puntos interesantes a analizar en los resultados de esta experiencia que se procederá

a detallar.

La práctica se realizó con cuatro motes. Dos con antena y otros dos sin antena.

Dos funcionando como base y dos funcionando como rebotadores. El camino que

recorría un mensaje era el siguiente:

El mensaje nacía en una base. Hay 2 posibilidades para esto.

El mensaje llega a un mote repetidor. Hay 2 posibilidades para esto. Luego es

enviado nuevamente hacia la base.

14


0 2 4 6 8 10 12

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

Pote

ncia

[dB

]

Profundidad de Agua [cm]

Entrante al Agua Saliente del Agua

Figura 2.5: Variación en la intensidad de la señal en la presencia de otro medio, agua. Se observa

un salto finito, debido a la interfaz agua-aire de más de 25 dB y la correlación para espesor de medio

acuoso.

El mensaje reenviado llega a un mote base. Hay 2 posibilidades para esto. Lue-

go es almacenado.

Con una tasa de creación de mensajes de uno por segundo para evitar colisiones,

se obtenían un total de 23 = 8 mensajes por segundo, donde estaban todas las com-

binaciones entre motes con antena externa e integrada y en ambos sentidos (ida y

vuelta). La configuración de mensajes con mayor potencia y alcance fue la de ante-

nas, debido a la ganancia de las mismas. Los resultados obtenidos con este estudio

son las curvas de variación de la atenuación con la distancia para el exterior.

Las mejores ganancias en las antenas externas se consiguieron cuando estas se

encontraban ubicadas en un descampado. Estas variaciones no fueron tan notorias

para las antenas internas. Es por esto que las ganancias máximas de la tabla 2.6 son

una cota superior de las experiencias realizadas. Este valor puede ser menor si la

antena se encuentra rodeada de objetos que puedan interferir con la señal de radio.

15


0 20 40 60 80 100 120

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

52% 28% 23% 35%87%

83%

77%

Pote

ncia

[dB

]

Distancia [metros]

Antena Grande -> Grande Antena Chica -> Chica Antena Chica -> Grande Antena Grande -> Chica

Figura 2.6: Atenuación de la señal con la Distancia. Terreno plano.

Otras conclusiones muy relevantes que se obtienen de la Fig. 2.6 y de la tabla 2.6

son las variaciones en el factor de atenuación con la distancia. Como regla general

se puede decir que si se desean mayores alcances y una menor sensibilidad de la

RSSI con la posición hay que utilizar antenas externas. Si por el contrario, se desea

una mayor resolución del RSSI con la distancia en una aplicación de seguimiento,

ubicar motes con antenas internas como nodos de acceso (ver 3.1.1). En general la

distinción entre quien envía y quien recibe no es significativa.

Tabla 2.6: Relación de las antenas con la distancia. Analísis de la Fig. 2.6

Antena Emisora Antena Receptora Potencia con Distancia Máx. Ganancia

[dB/m] [dB]

Integrada Integrada 0,34± 0,03 0

Integrada Rubber Duck 5dB 0,30± 0,03 +7

Rubber Duck 5dB Integrada 0,33± 0,03 +9

Rubber Duck 5dB Rubber Duck 5dB 0,21± 0,01 +14

16


0 20 40 60 80 100

-42

-40

-38

-36

-34

-32

-30

-28

-26

-24

-22

Pote

ncia

[dB

]

Distancia [metros]

Antenas Externas Ida Vuelta

Figura 2.7: Atenuación de la señal con la Distancia con gran Dispersión. Terreno irregular.

Es importante observar de la Fig. 2.6 el rango o distancia máxima de alcance

entre motes. Detrás de esta distancia el porcentaje de mensajes recibidos de forma

exitosa decae considerablemente a un porcentaje bajo. No obstante algunos pocos

paquetes logran llegar para distancias mayores.

Para valores de RSSI inferiores a -45 dB (-90 dBm si se corrige por error de cero)

hay pérdida de paquetes. Si se extrapola el comportamiento para la mejor configu-

ración, con antena externa en ambos motes, se obtiene un rango de 175 m. También

se puede inferir que se pueden enviar mensajes hasta 200 m. aceptando una pérdida

de paquetes del 75 % aproximadamente. Si se está dispuesto a disminuir la calidad

de las transmisiones a porcentajes inferiores, entonces es posible extenderse más de

200 m.

La sensibilidad de la señal al entorno se pone en evidencia en la Fig. 2.7 donde

se observan una dispersión mayor de cada valor para el mejor caso, es decir, ambas

antenas externas. Las variaciones en altura y los montículos no superaban el medio

metro.

17

2. DESCRIPCIÓN DEL ESTADO DE LA TÉCNICA Sensores

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

-52-50-48-46-44-42-40-38-36-34-32-30-28-26-24-22-20-18-16

Pote

ncia

[dB

]

Evolución Temporal [s]

A. Integrada (ida) A. Integrada (vuelta) A. Externa (ida) A. Externa (vuelta)

Figura 2.8: Perturbaciones producidas por variar la orientación de forma aleatoria del mote repetidor.

2.4. Sensores

Un breve desarrollo y estudio de los sensores es acompañado y validado con

resultados experimentales.

2.4.1. Interfaz de Hardware

El módulo Tmote Sky funciona con el microcontrolador MSP430 de Texas Instru-

ment. Posee 8 puertos externos e internos conversores analógicos digital (ADC) de

12 bits. Y dos puertos de salida digital-analógicos (DAC) de 12 bits. Se ha verificado

la linealidad de los puertos entrantes y se muestran los resultados de la compara-

ción en la Fig. 2.9 y el ajuste lineal en la tabla 3.1. La variación es en la pendiente, se

puede corregir considerando la tensión de referencia como 1,487 V.

En la Fig. 2.10 se muestra el diseño de un circuito obtenido de las notas de apli-

cación [2]. La primer parte del circuito es un conformador de la tensión de salida

del sensor de presión a la tensión de referencia del ADC junto con una corrección

18


0 200 400 600 800 1000 1200 1400-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Rea

l-Cat

álog

o [u

nida

des]

Tensión [mV]

Gráfico de Residuos ADC

Figura 2.9: Grafico de Residuos. Comparación entre cálculo acorde al fabricante y resultados experi-

mentales.

por offset. La segunda parte es una alternativa interesante para mejorar la precisión

de adquisición del dato. En lugar de utilizar la señal conformada (o sin conformar)

directamente leída por el ADC, se realiza una medición adicional a un segundo or-

den. Esto se consigue retroalimentando el circuito, se genera le tensión leída con

un DAC y posteriormente se la compara. Esta diferencia es amplificada de forma

de poder leerla con otro ADC. De esta forma se logra medir el error de la primer

medición, mejorando notablemente la precisión de las lecturas del ADC. Por último

quiere señalarse que utilizando módulos de middleware que funcionen como drivers

de la adquisición es posible realizar curvas de calibración simultanea de varios dis-

positivos al mismo tiempo. Como ejemplo en el caso de presión, se colocan todos

los motes dentro de una campana y se varía la presión dentro. Todos los motes es-

tán a la misma presión y una señal de broadcast les transmite la información de la

presión real. Cada uno computa las señales recibidas, con sus valores medidos y se

parametrizan sus curvas de calibración. Este driver para el ADC permite reducir el

error introducido por la precisión del mismo y limitaciones de su resolución (4096)

19


Tabla 2.7: Ajuste del ADC

Origen Tensión de referencia

Empírico 1,5 V (1,0± 0,6) + (2,755± 0,001) × V(en mV)Teórico 1,5 V 4096

1500 × V(en mV)

a las incertidumbres intrínsecas del componente sensor en sí.

Figura 2.10: Circuito electrónico para aumentar la precisión de la adquisición de un sensor utilizan-

do dos entradas ADC y una salida DAC.

2.4.2. Presión

El sensor de presión estudiado es fabricado por Freescale. Para determinar su

sensibilidad se procede a dividir el máximo de escala sobre la resolución del con-

versor ADC. En particular se trabaja con un ADC de 12 bits, por lo tanto se cuenta

con una resolución de 4096. Es posible utilizar distintos sensores y trabajar con dis-

tintas tensiones máximas para el ADC. En la tabla 2.8 se muestran las combinaciones

posibles.

2.4.3. Humedad y Temperatura

Existe una completa compatibilidad con los sensores de humedad y temperatura

fabricados por Sensirion AG. Los modelos SHT11 y SHT15 pueden ser directamen-

te montados en el mote. Son provistos con certificado de calibración acorde a las

20


Tabla 2.8: Características técnicas para el diseño de sistemas utilizando sensores de presión de FreeS-

cale

Sensor Alimentación Tensión Ref. Máxima Presión Precisión

MPXA6115A 5 V 1,5 V 34 kPa 8 Pa

MPXA6115A 5 V 2,5 V 57,5 kPa 14 Pa

MPXA6250A 5 V 1,5 V 75 kPa 18 Pa

MPXA6250A 5 V 2,5 V 125 kPa 30 Pa

MPXA6400A 5 V 1,5 V 120 kPa 29 Pa

MPXA6400A 5 V 2,5 V 200 kPa 49 Pa

normas ISO/IEC 17025. En comparación con el instituto NIST (National Institute of

Standards and Technology) y NPL (National Physical Laboratory). Las diferencia en costo

es de aproximadamente U$S 5. Se presenta la información para el sensor de mayor

precisión, el SHT15.

Estos sensores son de tipo capacitivo, por lo que pueden utilizarse en ambientes

donde condense humedad. La precisión garantizada se muestra resumida en la tabla

2.9.

Tabla 2.9: Características del sensor de humedad relativa y temperatura SHT15.

Magnitud Rango de Operación Sensibilidad Origen

Humedad Relativa (0 a 100) % ±2 % SHT15

Temperatura (ext.) −40 a 120 oC ±0,5 oC @ 25oC SHT15

P. de vapor Sat. † ±80 Pa Calc. 2.4.4 †Presión de vapor † ±70 Pa @ 50 % Calc. 2.4.4 ††Valores calculados.

2.4.4. Determinación de otras magnitudes

Es de interés utilizar estos sensores para determinar otros valores como la pre-

sión de saturación de vapor, presión de vapor y punto de rocío. Se estima a con-

tinuación los errores propagados por las incertidumbres expuestas. Las distintas

magnitudes influirán de forma distinta en los siguientes valores. Es decir el error en

21

2. DESCRIPCIÓN DEL ESTADO DE LA TÉCNICA Interacción con la Radiación

la determinación de la humedad relativa es constante, 2 % en el rango central, pero

influirá más sobre la presión de vapor, cuanto mayor sea la humedad relativa.

Presión de vapor saturado

La estimación del error se realizó propagando el error de la formula de Mag-

nus. De la curva de presión de vapor y temperatura para el agua, es posible con la

temperatura conocer la presión de vapor saturado Pe.

∆pe = (60− 1,8 T + 0,26 T2)∆T (2.2)∆pepe

= (0,0724− 4,30 10−4 T)∆TT

(2.3)

Para temperaturas cercanas a los 25 grados centígrados se muestra la precisión

de este valor en las tablas 2.8 y 2.9.

Presión de Vapor

La presión de vapor se calcula entonces como el producto de la humedad relativa

(hr) por la presión de vapor saturado (pe). Fácilmente se propaga el error de esta

cuenta y la precisión del resultado se resume en la tabla 2.9, para los 25 grados

centígrados

(∆pe)2 = (hr)2(∆pe)2 + (pe)2(∆hr)2 (2.4)

2.5. Interacción con la Radiación

Las redes de sensores se encuentran actualmente en una abrupta expansión y

crecimiento. Se ha realizado una investigación y se presentarán las opciones que se

pueden utilizar para medir radiación con una breve descripción de la base técnica

de su funcionamiento, sin pretender profundizar en detalles y demás generalidades

que son mejor tratados en otros textos [7]. El enfoque no se centraliza en las capa-

cidades de medición, sino más bien en la sensibilidad de distintos sistemas frente

a la interacción de la radiación. Tras este estudio se buscarán los óptimos según la

aplicación de campo pertinente: sea como opción de fuente de alimentación para los

22


motes, como un testigo binario de la presencia de radiación o un detector de dosis

con las consideraciones de consumo pertinentes.

2.5.1. Generalidades acerca de los dispositivos sensibles a la radia-

ción

Un detector de radiación es un dispositivo que presenta una determinada res-

puesta al sufrir la interacción de una partícula. Como consecuencia de tal interac-

ción y sin perder generalidad, la partícula deposita cierta cantidad de energía en el

detector en un tiempo muy reducido a los fines prácticos, generando la aparición de

portadores de carga eléctrica en los casos estudiados. Los dispositivos estudiados

como detectores en el presente trabajo son de dos tipos diferentes y aquí es donde

se hace una primera distinción:

Cámara de Ionización

Semiconductor

Continuando con el dispositivo detector de radiación intrínsico se estudia el sis-

tema de detección en general, incluyendo también las cuestiones eléctricas y elec-

trónicas asociadas. Rompiendo las estructuras principales en las que se estudian los

procesos de detección y con fines prácticos se ha agregado un aspecto adicional que

permitirá clasificar los detectores en dos categorías según su polarización:

Configuración pasiva

Configuración activa o Polarizado

Los detectores presentan en la mayoría de sus configuraciones un funcionamien-

to polarizado, es decir con una diferencia de potencial relativamente elevada aplica-

da sobre él. En el caso de los semiconductores se dice polarizado en inversa, hacien-

do referencia a la juntura y polarización propia de los mismos. Una configuración

pasiva es aquella que se consigue sin aplicar una diferencia de potencial externa,

como es el caso por ejemplo de las celdas solares para el caso de radiación solar. A

continuación se realiza la distinción fundamental en los modos de operación:

Modo corriente

23


Tabla 2.10: Opciones según detector y polarización

Configuración Pasiva Polarizado

Cámara de Ionización -- Sección 2.5.3

Semiconductor Sección 2.6.2 Sección 2.5.2

Modo pulso

Esta distinción es bien propia del modo de operación y se encuentra principal-

mente referida a la resolución temporal. Si la resolución temporal es fracciones de

segundo una está midiendo esta carga generada, como una corriente promediada

por un montón de eventos. Si en cambio se trabaja con una resolución del orden de

milisegundos o nanosegundos dependiéndose si es de una cámara de ionización o

de un semiconductor respectivamente se tiene un modo de operación tipo pulso.

Para detectores de dosis es ampliamente aceptado y utilizado el modo corriente.

Por otro lado, si se desea distinguir con mayor detalle características de la radiación

incidente, como su naturaleza o energía, el modo de pulsos es la solución indicada.

Omitiendo por lo expuesto recientemente un interés en la resolución temporal,

en la tabla 2.10 se muestran las opciones estudiadas.

2.5.2. Dosímetro electrónico

Esta es la opción más atractiva. Debido a que es una tecnología que se emplea en

los dispositivos de dosimetría portátiles y electrónicos. La aplicación descripta en 4.3

utiliza esta tecnología. Son detectores de estado sólido polarizado a altas tensiones

(menores a las de las cámaras de ionización).

El modo pulso no parece ser un modo óptimo para las plataformas de motes

debido a que requiere grandes frecuencias para la adquisición de datos. Y para di-

señar dispositivos de bajo consumo son preferibles los tiempos prolongados y las

bajas frecuencias. No obstante si el detector debe identificar el tipo de radiación, por

ejemplo una región de energía de rayos gammas particular se debe recurrir al modo

pulso. Este es el caso de los equipos que utilizan los inspectores de salvaguardias

donde deben detectar la presencia de Cs midiendo su espectro de emisión gamma.

Se propone un estudio sobre un detector que no es utilizado en el Centro Atómi-

24

2. DESCRIPCIÓN DEL ESTADO DE LA TÉCNICA Sistemas de alimentación

co Bariloche ni en el Instituto Balseiro para detección de radiación. Estos detectores

de estado sólido son cristales de TeCd. Esta motivación es mencionada en la sección

2.6.2.

2.5.3. Cámara de Ionización

Las cámaras de ionización para dosimetría operan en régimen Geiger Muller

y muchas veces adquieren este nombre. Es necesaria una fuente de alta tensión,

que puede ser conseguida con circuitos osciladores. No obstante en la búsqueda de

un sensor de radiación para un sensor perpetuo, de prolongados tiempo, resulta

inviable por estos métodos.

2.6. Sistemas de alimentación

Existen varias opciones para alimentar los módulos de sensores inalámbricos, al-

gunas comerciales y otras en etapas de desarrollo e investigación. Debido al crecien-

te uso de dispositivos portátiles e inalámbricos ha crecido la necesidad de alimentar-

los eléctricamente. Baterias recargables es la opción utilizada con mayor frecuencia

en estos dispositivos. Para el caso de los módulos de sensado se han realizado dise-

ños para utilizar energía solar como el módulo prometheus provisto por MoteIV, los

fabricantes de los módulos Tmote Sky.

2.6.1. Consideraciones al usar pilas

La capacidad de las pilas varían dependiendo el material de construcción, ca-

lidad, marca y precio. Un valor nominal para la cantidad de energía almacenada

en ellas es 2500 mAh por pila. Una aplicación de modulos de sensores distribuidos

con capacidad de recepción y transmisión consume aproximadamente 20 mA, por

lo que tienen una vida útil de 5 días.

Para el caso de un módulo que tiene la tarea de transmitir y no de recibir, es posi-

ble controlar un ciclo de consumo que consume mucho menos. La Fig. 2.11 muestra

los distintos consumos medios y la duración de las baterias en función de la tasa de

transmisión.

25


10 100 1000 10000 1000000,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

0,55

26

31

36

42

47

52

57

2,8x10-3 2,8x10-2 2,8x10-1 2,8x100 2,8x101

1,82,02,22,42,62,83,03,23,4

Transmisiones por segundo

Dur

ació

n pa

ra fu

ente

de 5

000

mA

h [H

rs]

Dur

ació

n po

r mA

hde

fuen

te [1

/mA

]

Transmisiones por hora

1/s

Duración de Baterías

Con

sum

o M

edio

[mA

] Cálculo del Consumo medioen función de latasa de Transmisiones

Figura 2.11: Consumo y estimación de la duración de baterias para un módulo que transmite a una

dada tasa.

2.6.2. Conversión Directa de Energía

La conversión directa de energía o Direct Energy Conversion en inglés es un con-

cepto por el cual se puede obtener energía eléctrica de la radiación sin pasar por

ningún ciclo térmico o paso intermedio. Estos dispositivos son de baja potencia del

orden del mili o microwatt. Se pueden clasificar en tres tipos [4], los que inducen

ionización, los que colectan directamente partículas cargadas y los que excitan se-

miconductores. La investigación se basó en estos últimos por diversos motivos:

Reducidos tamaños

Funcionan para radiación cargada (como β) y no cargada (como γ)

26


Evolución reciente y actual de semiconductores y paneles solares.

Procesos como la conversión termoiónica o termoeléctrica, generando por ejem-

plo tensión en una termocupla por el efecto Seebeck no son tratados aquí. Podemos

categorizar los procesos de conversión directa de radiación a electricidad en las si-

guientes tres categorías:

Ionización inducida por radiación

Utilización directa de partículas cargadas

Excitación de semiconductores

El primer caso se pone en evidencia en las cámaras de ionización. Si bien para

que exista una ganancia de energía debe haber una diferencia en la función trabajo

de cada superficie, el efecto se pone de manifiesto por un proceso análogo e inverso,

al aplicarse una tensión sobre la misma. De esta forma la radiación produce los por-

tadores que conducen una corriente entre ambas superficie a diferentes potenciales.

El segundo caso, la utilización directa de partículas cargadas tampoco será tra-

tada exhaustivamente. Se basa en la transferencia de partículas cargadas desde una

placa emisora, con material radioactivo, hacia una placa colectora, de esta forma

se establece la diferencia de potencial. Como ejemplo citaremos los trabajos reali-

zados en conjunto por Sandia National Laboratories, Los Alamos National Laboratories,

The University of Florida, Texas A & M University y General Atomics sobre las celdas de

fisión [3]. No será profundizado en el presente trabajo.

El tercer caso se explica con la teoría de semiconductores, mediante modelos de

bandas, la radiación genera electricidad. Puede ser frente a radiación sin carga o con

carga como el caso de radiación beta. Las celdas reciben el nombre de fotovoltaicas

o betavoltaicas respectivamente. El proceso es similar al de paneles solares y será

explicado a continuación para poder entender los modelos propuestos.

2.6.3. Celdas betavoltaicas

Recientemente se han publicado avances en estos dispositivos (ver [10]), que pre-

tender mejorar la eficiencia con nuevas tecnologías de fabricación del semiconduc-

tor. Esta innovación ha dado origen a un producto que es descrito en el Apéndice D.

27


La innovación radica en producir estructuras cristalinas de silicio poroso, donde se

aumenta el volumen expuesto a la radiación.

2.6.4. Celdas gammas

Es de interés esta tecnología por dos motivos. El primero es que puede conducir

a nuevas formas de alimentar dispositivos inalámbricos abundantes hoy en día y en

constante crecimiento. El segundo y de un interés particular para este trabajo es una

extensión de la aplicación de seguimiento de fuentes radioactivas. Trabajos se han

realizado [9] para aplicaciones de salvaguardias: Aplicación de redes inalámbricas

de sensores al monitoreo del transporte de elementos combustibles quemados. El

seguimiento y monitoreo de estos elementos combustibles (EECC) es requerido por

grandes períodos de tiempo. La posibilidad de alimentar las unidades de monitoreo

con la energía de decaimiento de los mismos resulta atractiva y autónoma.

La curva de la Fig. 2.12 muestra la energía producida sobre una celda solar por

radiación gamma. El experimento fue llevado a cabo en el cementerio húmedo del

Reactor RA6, con una tasa de dosis de 10 Gy/h aproximadamente. Se puede obser-

var el comportamiento de esta fuente y su baja potencia. Las curvas características

de estos componentes se construyen igual que la de los paneles solares, llamadas

curvas I-V. La curva de respuesta tensión-corriente del componente es reducida so-

lo al cuadrante de interés. Este es el cuadrante donde la potencia es positiva y el

componente se comporta como una fuente de generación de energía. El comporta-

miento de la celda es lineal, por lo que se puede aplicar el teorema de Thevenin. En

la tabla 2.11 se muestran los valores para la fuente y resistencias del circuito equiva-

lente.

Es importante señalar el hecho bien conocido que la máxima potencia se obtiene

para una resistencia de carga equivalente a la resistencia de Thevenin. Por lo que el

óptimo de la fuente se consigue para una impedancia de circuito de 10 kΩ.

Tabla 2.11: Valores para el circuito equivalente de Thevenin de la fuente de Conversión Directa de

Energía para el Panel Solar.

Fuente de Thevenin (626± 3)µV

Resistencia de Thevenin (10,54± ,09)kΩ

28


0,0A

10,0nA

20,0nA

30,0nA

40,0nA

50,0nA

60,0nA

0,0V 100,0µV 200,0µV 300,0µV 400,0µV 500,0µV 600,0µV 700,0µV

Tensión [V]

Cor

rient

e [A

]

Curva característica a 10 Gy/h V

th= 626(3) V I

th = 10,54(9) k

Figura 2.12: Medición de producción de energía con gammas de EECC gastados mediante la inter-

acción de celdas solares.

Se propone realizar un estudio sobre una tecnología de creciente uso en detecto-

res de radiación con la materia y en paneles solares. Estos son los cristales de TeCd

o TeCdZn. Estos cristales se han estudiado para la generación de energía en celdas

solares [8]. Presentan una densidad 2,5 veces mayor al silicio. Estos semiconducto-

res presentan un número atómico también mayor: 48 para el Cd y 52 para el Te, a

diferencia de 14 el Silicio o 32 el Ge. Esto representa un aumento en la interacción

de gammas de alta energía con la materia.

Un cálculo preliminar realizado con el código Monte Carlo N-Partcle (MCNP)

predice un aumento en la energía depositada del 72 %. También se propone estudiar

el comportamiento y eficiencia del mismo depositando una fina capa de material

con número atómico elevado.

29

Capítulo 3

Descripción del Sistema Diseñado

Para satisfacer las aplicaciones propuestas en el capítulo 4 y solucionar los pro-

blemas en ellas presentados se ha desarrollado un sistema basado en las tecnologías

de redes de sensores inalámbricas en la banda de radio científico, médica, industrial

(ISM).

El sistema desarrollado tiene como objetivo proveer de funcionalidad a aplica-

ciones de control de radioprotección, y administración de inventario, entre otras.

Mucho trabajo se ha realizado internacionalmente orientando las redes inalámbri-

cas de sensores para aplicación de sensado de variables de forma distribuida. El pre-

sente sistema da un paso más por sobre estas experiencias de sensado distribuido

integrando una solución para aplicaciones específicas, realizando tareas de manejo

de la información. Esta pensado para ser instalado en una planta y que el entorno

quede fijo en ella, en lugar de ser desplegado para realizar una práctica en particular

por un período acotado de tiempo.

Para alcanzar este objetivo presenta características de funcionalidad que lo dife-

rencian de aplicaciones más comunes. La capacidad de almacenar los datos en base

de datos, monitores con alarmas o avisos bajo eventos anormales y hasta estadística

periódica o en tiempo real. Completamente flexible, sin perder compatibilidad con

aplicaciones ya existentes. Además apunta a varios usuarios distintos. Estos usua-

rios serán tratados en el presente trabajo como clientes en el sentido técnico de la

palabra. Pudiéndose acceder de distintas formas y a distinta información, puede

accederse con clientes específicos a los resultados de ciertas mediciones, obtener re-

portes periódicos con estadística para uso interno o externo, y hasta acceso directo

30

3. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DISEÑADO Módulos en TinyOS

vía Web irrestricto de toda aquella persona del público que quiera revisar los da-

tos disponibles como se expondrá en la sección 4. Por último, el sistema es flexible

frente a la incorporación de nuevos módulos sensores con distintos programas y en

distintas funciones. Estos nuevos sensores que pueden entrar y salir del sistema con

gran flexibilidad serán llamados miembros.

En el desarrollo propuesto se rompe la simetría existente en muchas aplicaciones

de motes. Existen dos tipos bien definidos: motes base, como nodos de acceso, fijos

en el entorno con un número de características similares y en contraposición, motes

volátiles que puedan entrar y salir del sistema a través de cada nodo de acceso y

representan miembros del sistema.

Toda la información es almacenada, procesada y administrada en un servidor

que cumple las siguientes dos funciones básicas: puerta de enlace entre los motes y

el usuario final y como servidor de datos para las aplicaciones cliente.

Las figuras mostradas en la presente sección respetan las convenciones del Len-

guaje Unificado de Modelado (UML) para representar sistemas, clases, componen-

tes y asociaciones.

3.1. Módulos en TinyOS

Las aplicaciones en TinyOS se programan uniendo módulos e implementando

las líneas relevantes con la funcionalidad de cada mote. La jerarquía introducida de

miembros y nodos de acceso está implementada a través de módulos. Estos módulos

fueron creados específicamente, se muestran en la Fig. 3.1 y se detalla a continuación

sus características principales.

<<Mote>>

Nodo de Acceso

<<Mote>>

Miembro

<<Mote>>

Base

ServidorMultiHop

11..*1..*0..* 11

Figura 3.1: Descripción de la comunicación entre Motes Miembros y Nodos de Acceso.

31


Tabla 3.1: Diferencias entre las dos jerarquías de módulos

Nodo de Acceso Miembro

Fijo Móvil

Alimentación de pared Alimentación reducida

Manejo de paquetes, toma de decisiones Sensa y transmite con bajo Duty Cicle

Funcionalidad Completa Funcionalidad Reducida

Transmite y Escucha Sólo Transmite

Gran Cantidad, acorde a instalación Cantidad Moderada, acorde a práctica

3.1.1. Módulo: Nodo de Acceso

Los nodos de acceso funcionan como puerta de enlace para miembros y como

sistema de seguir su posición. Representan una red de motes híbrida tipo matriz

y estrella. Un nodo central que actúa como puente entre el servidor y los motes

debe estar instalado, con la denominación de nodo base. Los nodos de acceso se

comportan como una extensión del entorno inalámbrico del mote que es puerta de

enlace al servidor y se encargan de derivar y dirigir todos los paquetes hacia este

nodo base central. Este redireccionamiento se realiza mediante alguna configuración

de MultiHop independiente, como la MintRoute provista en el paquete de TinyOS.

Presentan además una función adicional. En los encabezados de los mensajes

redireccionados, recibidos de miembros que se conectan a ellos, se encuentra una

descripción de parámetros que permiten inferir la localización de los miembros. La

información que se escribe es la dirección del nodo de acceso y la fuerza RSSI de la

señal de radio. Ver Fig. 3.2.

Nodo de Acceso: Miembro Conectado

Recepción de Mensaje

entry / Recepción de Mensaje

do / Preparar Encabezado Tracking

exit / Envío de Mensaje por MultiHopBroadcast Multihopping

Mensaje de Nodo de AccesoMensaje de Miembro

Figura 3.2: Tareas del Nodo de Acceso. Generación del encabezado de Tracking

De esta forma, el servidor puede realizar un completo seguimiento del miembro

en el entorno físico real. Se puede monitorear de forma proactiva desde el servidor

32


cuando el miembro entra o sale de la red, se mueve de una ubicación a otra y datos

sensados.

La característica principal de los motes de acceso, no es su capacidad de trabajar

con sensores (no obstante ver 4.4) sino su capacidad de redireccionar mensajes y

de medir la fuerza de los mismos. Las antenas estudiadas en 2.3 son ideales para

estas aplicaciones, en especial la de 5dB, ganándose un alcance radial de hasta 100

m adicionales en descampado.

3.1.2. Módulo: Miembro

El módulo miembro se aplica a dispositivos que son móviles, se encuentran en

constante movimiento y tienen la posibilidad de sensar y transmitir esta informa-

ción un nivel para arriba en la jerarquía: a los nodos de acceso. Estos dispositivos

móviles pueden ganar o perder acceso a la red, evento que es detectado por el resto

del sistema. Este acceso a la red se consigue a través de conexiones con los Nodos

de Acceso (ver 3.1.1). La conexión se puede realizar con uno o más nodos. Los men-

sajes enviados por los motes miembro son mensajes de broadcast. No es relevante la

cantidad de Nodos de Acceso alcanzados por el miembro, sino el estado conectado

o no conectado del mismo.

Es posible de esta forma diferenciar entre los estados: conectado y sin cone-

xión. Esto permite implementar aplicaciones más eficientes aprovechando el mó-

dulo miembro, como las aplicaciones de radioprotección y seguimiento de fuentes

(ver 4).

A continuación se enumeran algunas acciones a tomar que diferencian un estado

conectado de uno sin conexión:

La tasa de envío de mensajes puede ser reducida considerablemente, a men-

sajes de intento de conexión únicamente. Al reducir los tiempos entre intentos

se consigue alargar la vida de la fuente.

La tasa de adquisición de cualquier variable de sensado puede ser reducida.

Almacenar la cola de mensajes e información sensada en memoria interna o

en EEPROM, con tiempo local.

33

3. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DISEÑADO Servidor

Visualizar la condición sin conexión con una señal de los diodos emisores de

luz.

Sin Conexion

Intento de Conexion

Tareas

en modo Aislado

do / Bloque de TareasEnviar Info

ack

H*

Tareas

en modo Entorno

do / Bloque de Tareas

Enviar Info

ack

Con Conexion

Conexion Perdida Conectando

Figura 3.3: Estados principales del módulo miembro. Con conexión y sin conexión son dos bloques

para ejecutar distintas instrucciones.

Ambos estados: conectado y sin conexión se muestran en la Fig. 3.3.

3.2. Servidor

La primer capa de comunicaciones en el servidor es la capa WDS (Wireless-Data

Server). El paquete de software TinyOS contiene software oficial para la PC que fun-

ciona en JAVA. Todas las aplicaciones se conectan a una primera capa de comunica-

ciones llamada Serial Forwarder, (SF), implementada en JAVA y C. SF es la capa que

permite establecer un puente entre las aplicaciones en JAVA y las redes inalámbricas

de motes. Se comunica con un mote base por medio del puerto USB, accedido como

una emulación de puerto serie. El SF abre un puerto Socket TCP donde acepta cone-

xiones de cualquier aplicación. SF realiza además la comunicación de ambos canales

y un proceso de empaquetado y desempaquetado acorde al protocolo HDLC y de

34


TinyOS necesario para transmitir paquetes desde las aplicaciones hacia los motes y

vise versa.

La capa WDS desarrollada e implementada en el presente trabajo se bosqueja en

la Fig. 3.4. Presenta las siguientes mejoras:

Compilado Multiplataforma y distribuido como binarios.

Almacenamiento de mensajes en Base de datos.

Monitores Integrados

Conexion Serie Empaquetador

<<Mote>>

Nodo de AccesoBase de Datos

MySQL

Socket TCP

Monitores

<<Mote>>

Puente

Cliente0..*1

0..*

1

1

1..*

Figura 3.4: Diagrama UML de Clases Principales del Servidor WDS.

3.2.1. Compilado Multiplataforma y distribuido como binarios.

El servidor se compila en Windows y Linux debido a que fue programado persi-

guiendo este objetivo. De esta forma se tienen los binarios para un sistema operativo

o para otro. El servidor puede ser entonces una PC con Windows o Linux. Esto per-

mite reducir considerablemente los requisitos para la computadora servidor. No es

necesario instalar una máquina virtual de JAVA tampoco. El WDS está implementa-

do en C++y esta preparado para utilizar componentes de sistema de Windows como

Linux, al momento de compilación enlaza con la biblioteca correcta.

En el caso de correr bajo Windows es necesario el controlador Virtual Com Port.

Además es necesario el controlador que adapta el puerto USB como un puerto serie.

Se utilizan controladores de FTDI (Future Technology Devices International Ltd.) que

35


son distribuidos en el paquete de TinyOS o pueden ser bajados del sitio de FTDI

directamente.

En resumen, se logra una presentación de producto cerrado y comercializable.

No es necesario cargar con el paquete de instalación de TinyOS. No es necesario

instalar Cygwin, que es un requisito si se está trabajando en un entorno de Windows.

Tampoco es necesario instalar ninguna máquina virtual.

3.2.2. Base de Datos

Todos los mensajes que pasan por el servidor son almacenados en una base de

datos. Funciona para mensajes en ambos sentidos, sean transmitidos desde apli-

caciones externas hacia los motes o desde la red inalámbrica hacia el servidor. Se

detallará a continuación esta vinculación entre servidor y base de datos.

El software provisto y diseñado junto con los motes está en JAVA. La adquisición

de datos la maneja cada aplicación en particular. Por ejemplo se pueden interpretar

los datos en tiempo real o almacenarlos en archivos. La funcionalidad introducida

con la versión diseñada, es la capacidad de brindar el servicio de acceso a datos pa-

ra cualquier aplicación que necesite realizar consultas sobre datos en el período de

tiempo que desee. Donde este conjunto de datos está disponible para (y es compar-

tido con) cualquier aplicación o monitor externo (ver 3.2.3).

El servidor presentado actualmente, puede ser utilizado para otras aplicaciones,

extendiéndose su utilidad a casos no considerados como caracterización de otras

instalaciones, sensores, y demás características propias de los motes. La ventaja es

que todos los datos son almacenados en la base de datos en MySql y se cuenta con

toda la interfaz estándar de MySql para acceder y procesar los datos. Se puede uti-

lizar MySql de dos formas:

versión cliente

versión integrada

La versión integrada de MySQL (Embedded MySQL Server) funciona distinto a la

versión cliente. La primera sirve para integrar una base de datos a una aplicación.

Las consultas se ejecutan en el programa principal. Este motor es integrado en el

momento de compilación al enlazar con las bibliotecas de la versión embebida. Se

36


gana velocidad y se evita innecesaria comunicación entre programas. No hace falta

instalar el MySql en la máquina servidor, lo que flexibiliza el sistema en general y lo

hace mucho más portable.

Si se compila el programa contra las bibliotecas normales, la interfaz es la mis-

ma pero se debe instalar el servidor MySql en un equipo servidor. Puede tratarse

del mismo servidor que tiene acceso a la red inalámbrica de sensores o un servidor

de datos distinto. Se pierde la optimización en los accesos con respecto al caso em-

bebido pero se gana una interfaz adicional para usuarios externos. Los clientes se

conectan directamente con el servidor de MySql y no pasan por la aplicación. La

Fig. 3.5 muestra estas dos configuraciones y sus diagramas de distribución.

WDS WDS Base de Datos MySQL

Empaquetador

Clientes Externos

Base de Datos

MySQL

Base de Datos

MySQL

Empaquetador

Versión Embebida de Base de Datos Versión Normal de Base de Datos

Figura 3.5: Versión embebida y externa de base de datos MySQL. Diagramas de distribución en

UML para mostrar los dos modos de funcionamiento.

En resumen y como regla general, si se va a utilizar un servidor portable, que

pueda ser instalado en cualquier computadora rápidamente y sirva para hacer toma

de datos únicamente y análisis de los mismos, la opción ideal es compilar enlazando

a las bibliotecas embebidas. Si por el contrario el servidor es un servidor definitivo

que brinda distintos servicios y se encuentra en una red se debe utilizar el servidor

normal. Es decir enlazar en el momento de compilación con las bibliotecas cliente.

Todos los mensajes son almacenados sin interpretación de a bytes, en la tabla log

con un estampado temporal que permite realizar búsquedas por fecha. Es posible

definir nuevas tablas de forma dinámica al incorporar más subredes o aplicaciones

al sistema. A estas nuevas tablas le corresponde un tipo de mensaje definido. De

esta forma los bytes recibidos son interpretados de la forma correcta y solo la infor-

mación deseable es guardada en estas tablas con una referencia al correspondiente

mensaje en log. En el caso de utilizar el servidor en una aplicación determinada es

posible optimizar este doble almacenamiento, simplemente al omitir la entrada en

37


log si el mensaje es reconocido y almacenado en una tabla particular.

Una ventaja de trabajar con MySQL es que es un tópico de gran interés y uso

en la actualidad, habiendo muchas formas de optimizar su rendimiento y consultas.

Múltiples clientes pueden acceder de forma simultanea y realizar distintas consultas

y con distintos privilegios.

Se les ha provisto a las redes de sensores inalámbricas un servidor de datos para

integrarlas en sistemas de mayor escala a través de una red.

3.2.3. Monitores

Los Monitores dotan de una dinámica reactiva ante eventos fuera de los márge-

nes establecidos y proactiva mediante el seguimiento e interpretación de los datos

que son almacenados por el servidor.

Estos monitores son realmente sencillos de implementar. Una simple consulta en

MySQL es monitor suficiente para un gran número de aplicaciones como se muestra

a continuación.

Monitores Reactivos

Estos monitores son ejecutados con la llegada de cada mensaje. Los monitores

cargados se almacenan en un contenedor. Al llegar un mensaje se le aplica un fil-

tro propio de cada monitor y se activan solo los correspondientes. El resultado del

monitor puede iniciar acciones o almacenar los resultados en la base de datos. Un

diagrama de funcionamiento se muestra en la Fig. 3.6

Para ejemplificar se analizará un monitor que tiene como objeto detectar los flan-

cos ascendentes y descendentes de una variable (ver la aplicación de seguimiento de

fuentes radioactivas descripta en 4.2). El filtro permite descartar aquellos mensajes

que no corresponden al grupo de miembros adecuado. Un vez que el mensaje del

miembro llegar al monitor, este le aplica una condición para determinar si el nivel

de la variable en cuestión se encuentra por encima de un umbral comparando con

los estados anteriores. Responde con una acción definida si el flanco es detectado.

38


Monitor Específico Programado

Monitor de MÆximo o Mínimo

Monitor de Tiempo Excedido

Monitor de TrackingFiltro

Mensaje

No monitorear

Acción

Figura 3.6: Monitor Reactivo.

Monitores Proactivos

Estos monitores son ejecutados en hilos independientes del servidor o por pro-

gramas externos. Como ejemplo se discutirá otro caso. El objetivo es detectar cuando

un miembro ha sido retirado de la instalación, es decir del alcance de los nodos de

acceso (ver 3.1). El monitor realiza una consulta sobre los datos sobre un período

de tiempo reciente (por ejemplo últimos 5 minutos). Si la consulta es vacía para el

miembro en observación, significa que este no ha reportado mensajes en el último

período de tiempo y se debe proceder con una acción definida.

3.2.4. Algoritmos de Localización y Seguimiento

Para realizar un seguimiento espacial de un dispositivo inalámbrico se puede

proceder aplicando diversos algoritmos. Una posibilidad es modelando la atenua-

ción de la señal en aire, lograr predecir ubicaciones espaciales mediante cálculo de

triangulación. Como se ha mostrado en la sección 2.3 esto es muy dificultoso con la

excepción de estar en un medio infinito y homogéneo o contar con modelos exactos

que describan la atenuación de las señales en el medio. La realidad es que paredes

y variaciones en las orientaciones de las antenas, entre otros, producen variaciones

importantes que producirían cálculos erróneos. El método adoptado por muchas

aplicaciones es entonces el método de comparación de firmas. Donde lo que se bus-

39


Acceso al Servidor

+EjecutarConsulta()

Monitor Proactivo

-Temporizador

+EjecutarConsulta()

+AnÆlisis()

Colección de

Monitores Proactivos ABM Monitores

Base de Datos

MySQL

<<signal>>

Acciones

Socket TCP

Distintas Acciones programadas.

Ejemplo:Si la respuesta de la consulta sobre un miembro es vacía sobre un período de tiempo, significa que se ha perdido el control del miembro. Se envía un email.

Activa periodicamente

Los Monitores

Cada consulta

devuelve un set de datos que es analizado.

1..*1..*

1..*

1

Figura 3.7: Diagrama UML de clases del Monitor Proactivo.

car es definir un espacio de N dimensiones, donde N puede ser el número de motes

base o nodos de acceso. Se realiza un estudio del entorno mapeando lugares espacia-

les con puntos en este espacio N-dimensional, donde el valor de cada componente

del vector puede ser el índice RSSI.

Algunos algoritmos para incrementar el valor de N, realizan varias señales dis-

tintas por cada nodo fijo al entorno o nodo de acceso, de esta forma variando la

potencia de emisión y principalmente la frecuencia se logra modificar el compor-

tamiento de las ondas para cada entorno, obteniendo contribuciones linealmente

independientes al espacio N-dimensional.

Se propone una variación del modelo de firmas, pero considerando cada compo-

nente del vector como una distribución, no como un valor. De esta forma y en el caso

más general, cada componente será el par: valor medio, dispersión. La localización

será orientada en algoritmos que permitan obtener un seguimiento compartimental

o por habitaciones del miembro. Es posible superponer las regiones. Se puede par-

tir de regiones generales, hasta lugares o posiciones específicos. La motivación para

tal seguimiento es la aplicación de seguimiento de fuentes radioactivas (ver 4.2). El

siguiente ejemplo pretende aclarar y resumir el concepto: es posible discernir si el

objeto se encuentra dentro o fuera de una dada habitación, además es posible deter-

minar si se encuentra sobre alguna determinada mesa, en movimiento o quieto.

Las distribuciones son de dos tipos. La más común será un valor medio y su

40


desviación estándar, mientras que la otra será del tipo acotada por un límite. Esto

se debe a conclusiones obtenidas de las pruebas realizadas, explicadas en la sección

2.3, donde es muy poco probable medir una señal inferior a los -50 dBm. Por lo tanto

una señal ausente puede ser considerada como una señal con el valor -50 dBm.

La función distribución de probabilidad se define como D:

D(x) =1

σ√

2πe−

(µ−x)2

1σ2 (3.1)

con las acepciones convencionales de µ σ . Su integral como P con extremos a y

b:

Px(x1, x2) =∫ x2

x1

1σ√

2πe−

(µ−x)2

1σ2 dx P(a, b) =∫ b

a

e−(x)2

√2π

dx (3.2)

También se hará referencia a la función inversa. Es decir P = 0,95 centrado da

como resultado a = −1,96σ y b = 1,96σ .

Localización instantánea por nodo

Para un nodo dado (ni) y una posición deseada (p j) se obtiene una distribución

de la señal RSSI dada por µi j y σi j (para el análisis del par ni, p j se considerarán solo

como µ y σ).

De una única lectura (única en el sentido de instantánea o promediada sin con-

siderar la dispersión de este promedio) se obtiene el valor X. En el caso general se

pueden obtener entonces dos informaciones relacionadas:

Dado un margen de probabilidad, determinar si es verdadera o falsa la condi-

ción: el valor X determina que el miembro se encuentra en la localización p j

acorde al nodo ni. Para esta prueba de hipótesis se debe establecer una proba-

bilidad P.

a ≤ µ − Xσ

≤ b (3.3)

Si por ejemplo P = 0,95, la condición a satisfacer será−1,96 ≤ µ−Xσ ≤ 1,96, de

ser verdadera entonces se considera verdadero que el miembro se encuentra

en la posición p j acorde al nodo ni

La distancia medida en dispersiones al valor esperado µ. Este método está

pensado a ser utilizado con el algoritmo de firmas. Se obtienen magnitudes

41


adimensionales con las que se pueden construir los vectores de posición y apli-

car el mecanismo de firmas. La distancia no es entonces en dBm sino que es

un valor adimensional calculado como µ−Xσ .

Localización muestral por nodo

Se contempla un modelo donde se desea comparar no una terna de valores como

el caso anterior sino el cuarteto: µ, σ , X, S. Donde el valor muestral X tiene asociada

una dispersión S. En el caso general se pueden obtener entonces dos informaciones

relacionadas:

Dado un margen de probabilidad determinar si es verdadera o falsa la condi-

ción: este valor X determine que el miembro se encuentra en tal localización

p j acorde al nodo ni. Para esta condición se debe establecer una probabilidad

P como en el caso de una única muestra.

a ≤ µ − Xσ

≤ b (3.4)

Si por ejemplo P = 0,95, la condición a satisfacer será−1,96 ≤ µ−X√σ2+ s2

n

≤ 1,96,

de ser verdadera entonces se considera verdadero que el miembro se encuentra

en la posición p j acorde al nodo ni

La distancia medida en dispersiones al valor esperado µ. Este método podría

dar como resultado una métrica para los vectores de posición y aplicar el me-

canismo de firmas. La distancia no es entonces en dBm sino que es un valor

adimensional calculado como µ−Xσ . Puede incorporarse aquí o no el valor de

S.

En la Fig. 3.8 se muestran las distribuciones reales de la señal RSSI para un mote

colocado en el interior de un edificio. Se realizó este estudio en el reactor RA-6.

Colocando 5 motes en el área controlada 2 motes en el área de oficinas y una base

central. El Mote 9 se encontraba ubicado un piso por debajo. El Mote 7 a 20 mts

de altura por sobre el miembro. Se omitió el comportamiento de nodo de acceso

del mote base. Esto es debido a que se desea obtener una independencia de los

patrones con la ubicación de la puerta de enlace hacia el servidor. Mientras el resto

de los motes permanecen fijos, se puede mover la computadora servidor sin perder

42


los patrones. Es importante señalar que el la isla nuclear y el edificio de oficinas se

encuentran uno a continuación del otro, siendo dos edificios distintos cada uno con

su pared. Esto no fue un impedimento para distribuir la red el interior del recinto

del reactor y la puerta de enlace realizarla a través de las paredes hasta una oficina.

-45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -100

25

50

Señal RSSI

Mote1

-45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -100

25 Mote4

-45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -100

25

Can

tidad

de

men

saje

s

Mote7

-45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -100

25 Mote8

-45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -100

25Mote9

Figura 3.8: Distribución de las señales RSSI para una posición en el RA-6.

Un información que puede ser inferida del valor S, es el estado de movimiento

de la fuente. Para un movimiento de la fuente los indicadores RSSI sensados por

cada nodo de acceso presentan una dispersión mayor que el caso estático. Se utili-

43


za entonces para detectar si se mueve o no un valor umbral que puede ser propio

de cada nodo de acceso, de cada miembro, de la habitación o compartimiento más

cercano o global. El valor utilizado acorde a los ensayos realizados es 2 dBm.

44

Capítulo 4

Aplicaciones

Se han expuesto las características técnicas y los resultados de los experimen-

tos. También se ha detallado los desarrollos realizados en un sistema que permita

satisfacer los problemas surgidos en las aplicaciones propuestas en el presente ca-

pítulo. Las aplicaciones tienen un mismo marco en común, esto es una instalación

industrial o nuclear donde se trabaje con material y recursos que deban ser contro-

lados y supervisados. Se tratará de mantener esta generalidad en todos los trabajo

siguientes, cuando esto no se pueda se estudiará el caso particular de una central

nuclear.

Se comenzará por detallar en que consiste la preparación del entorno. La dis-

tribución y despliegue de la red inalámbrica de sensores es una etapa en común a

todas las aplicaciones.

Luego se tratará el problema principal del presente trabajo que es la administra-

ción de Fuentes Radioactivas. Posteriormente el control de otro recurso (personal

en lugar de fuentes radioactivas) es presentado en un proyecto de protección radio-

lógica personal. Se insiste en la sinergia de implementar ambos proyectos juntos,

coexistiendo con una única red de nodos de acceso.

4.1. Preparación del entorno

La preparación del entorno se resume en la instalación del servidor y la instala-

ción de los nodos de acceso.

45

4. APLICACIONES Administración de Fuentes Radioactivas

4.1.1. Instalación del Servidor

Una computadora personal, sin la necesidad de presentar una interfaz para usua-

rio, con acceso a una red y una interfaz para comunicarse con los motes es el reque-

rimiento de hardware para ser utilizada con el servidor. Debe instalarse el software

correspondiente (ver 3.2.1). El acceso a red, puede ser también Internet. El alcance

de esta red, limitará la ubicación de los clientes. Si no se tiene un acceso a red, las

aplicaciones cliente solo se podrán ejecutar desde el mismo servidor.

El emplazamiento no es crítico. Se deben tener presente algunas recomendacio-

nes para disminuir ineficiencias. No es necesario que el esté al alcance de radio de

todos los otros motes. Por el contrario, los algoritmos de saltos de cada nodo sa-

brán encontrar el camino hacia la base para llegar al servidor. Por el momento se

debe utilizar sólo un mote base. Por otro lado, es preferible que algunos caminos

estén redundados y que los alcances de radio no sean de a pares. Esto es para dotar

al sistema de cierta robustez ante falla de nodos. Una opción es comenzar con una

configuración mínima e ir agregando nodos con el tiempo.

4.1.2. Instalación de los nodos de acceso

Los motes con los módulos de nodo de acceso (ver 3.1.1), deben instalarse en la

planta o instalación. Por estar fijos, no presentan el problema de alimentación. Por

el contrario, hay varias formas de garantizarles alimentación eléctrica (ver 2.6). Las

disposiciones geométricas de los mismos, como así también la cantidad, se determi-

nan con estimaciones de las transmisiones de radio y los datos estudiados en 2.3.

Dados determinados cuartos donde se desee conocer si la fuente radioactiva entró o

salió, debe haber un nodo de acceso en cada uno. Como así también en cada entrada

o salida de la instalación.

4.2. Administración de Fuentes Radioactivas

Se retomará con un poco más de detalle las motivaciones y fundamentos del

presente trabajo.

A principios de la década de los noventa, el Organismo Internacional de Energía

Atómica (OIEA o IAEA en inglés) ha iniciado varias acciones en el campo de la

46


seguridad de fuentes radioactivas. Seguridad en el sentido del término inglés Safety

y también en el conocido como seguridad física, Security. Estas acciones han llevado

a reorganizar las normas implementadas en cada país miembro acerca de la gestión

de fuentes radioactivas. En el año 1998, la IAEA junto Organizaciones Europeas,

organizaron la Conferencia Internacional en Seguridad de Fuentes Radioactivas y

la Seguridad Física de Material Radioactivo [1]. Las resoluciones adoptadas en esta

conferencia son alentar a los gobiernos a unir esfuerzos en un ámbito de cooperación

internacional para fortalecer la seguridad de estas fuentes, asegurando un efectivo

sistema nacional de control de las mismas. Este plan de acción fue revisto en la

Conferencia del año 2000 realizada en la ciudad de Buenos Aires, Argentina.

Posteriormente al 11 de Septiembre del año 2001 se resolvió realizar una Confe-

rencia Internacional en Fuentes Radioactivas que se realizó en el mes de Marzo del

año 2003 [5]. De esta conferencia se ha encontrado un primer plano de acción en el

corto plazo, programas para recuperar fuentes radioactivas huérfanas.

Los objetivos a largo plazo son estudiar las normativas regionales y las imple-

mentaciones de control de fuentes radioactivas siguiendo una tendencia hacia un

sistema de monitoreo global. El presente trabajo es una solución tecnológica de este

problema, un sistema de monitoreo global de fuentes radioactivas. Dicha solución

es extendida a otras dos aplicaciones también.

Se ha convertido en un objetivo radical la tarea de evitar que una fuente radioac-

tiva pase a ser una fuente huérfana. Para estudiar los caminos por los que se puede

perder el control de una fuente se muestra la Fig. 4.1.

El transporte, manipuleo, uso y lugar de almacenaje de las fuentes radioactivas

dentro de edificios licenciados exige de un procedimiento para evitar irradiaciones

o contaminaciones personales. Igualmente es necesaria una gestión administrativa

exhaustiva para evitar extravíos de fuentes, o poder hacer reclamos de devolución

transcurridos tiempos prolongados de préstamo mayores a la vigencia.

El objeto del sistema, al automatizar los mecanismos de gestión de fuentes, es

promover a todas aquellas plantas o instalaciones que tengan debidamente justifi-

cada la utilización de fuentes radioactivas, la solución de muchos inconvenientes

relacionados con el control de estas fuentes. Como así también una redundancia a

los controles ya utilizados.

47


Autorizacion/Licencia

Operacion Normal

Conocimiento de Mantenimiento

y precauciones.

Procedimientos en

Modalidades de Riesgo

Sacada de uso rutinario

Compra e Instalacion

Poco Control en mantenimiento

y mobilidad de fuente

Carencia de Planes

de Emergencia

Uso futuro no claro,

Dificultades en repositorios,

Almacenamiento a largo tiempo.

Compra o Importacion Ilegal

Poca Cultura de Seguridad

Perdida de personal clave

o Bancarrota

Almacenamiento Prolongado y

excesivo antes de la Instalacion

Evento Catastrofico

(fuego, explosion,

inundacon...)

Fuente Huerfana

Monitor

Monitor

Monitor

Monitor

Disposicion

adecuada

Figura 4.1: Retos para lograr un buen uso de Fuentes Radioactivas junto con las mejoras introduci-

das por el control con monitores.

4.2.1. La incorporación de una fuente

Se exponen dos opciones por las cuales un mote miembro puede seguir a una

fuente radioactiva.

Un mote miembro debe estar unido a la fuente radioactiva. Sensores de ilumina-

ción, acelerómetros y de radiación pueden estar presentes para transmitir reportes

de estado más representativos. El caso más simple es contar con un sensor de radia-

ción (ver 2.5).

El sistema esta pensado para dos tipos de implementaciones distintas. La pri-

mera es que sea el fabricante de las fuentes quien implemente esta tecnología. De

modo que el mote miembro sirva como trazador de la utilización de la fuente desde

48


su fabricación hasta su disposición final. El mote miembro llevará información del

fabricante, de su calibración y de información administrativa pertinente adicional

como se mostrará a continuación.

La segunda opción, y de una implementación mejor y más rápida, es instalar el

mote miembro en el reservorio de transporte de la fuente. Si bien no se tiene control

directo sobre la fuente es posible contar con el historial de la ubicación del transporte

y si llevaba o no la fuente en su interior. Esta información es tan válida como en el

caso anterior, para usos normales de la fuente.

En el Apéndice C se describe el proceso de una campaña de ASECQ y su relación

con el control de salvaguardias.

4.2.2. Procedimientos de gestión de fuentes radioactivas

Como modelo se estudió el procedimiento de las fuentes del reactor RA-6. Debi-

do a que este es un modelo no se ha implementado este nivel de control. No debe

confundirse el sistema desarrollado que proporciona una capa de acceso a informa-

ción, con una aplicación de alto nivel para redundar los procedimientos de gestión.

El sistema modelo redunda un procedimiento normal de gestión de fuentes radio-

activas como se detalla a continuación:

Objetivo

El propósito de un procedimiento es asegurar un manejo seguro de las fuentes

radiactivas dentro de una instalación para evitar irradiaciones o contaminaciones

personales. Procedimientos normales dan pautas para evitar extravíos de fuentes

prestadas a usuarios en general. El seguimiento en tiempo real con un mote miembro

refuerza este punto. Los monitores proactivos dan señales y alarmas tras la utiliza-

ción de una fuente fuera del recinto autorizado en una práctica autorizada.

Alcance

Usuarios de fuentes radiactivas dentro del edificio, para aquellas fuentes con

identificación permanente.

49


Responsabilidades

En particular para el caso del RA-6, el personal del Grupo de Seguridad Radio-

lógica es el responsable de llevar el registro y movimiento de todas las fuentes ra-

diactivas, excepto aquellas calificadas como residuos radiactivos o de aquellos mate-

riales activados o contaminados que pudiesen generarse en la instalación. Dejando

de lados estos, el control responsable de las fuentes puede ser asistido y redunda-

do utilizando el presente sistema. La planilla es completada en la computadora. Se

procesa de esta forma la autorización de la práctica. De modo que los eventos y

comportamientos de la fuente observados por los monitores figuren en el marco de

una práctica autorizada y acotada en el tiempo.

Actividades

El transporte, manipuleo, uso y lugar de almacenaje de las fuentes radioactivas

dentro del edificio del Reactor RA-6 deberá ser autorizado por el Jefe del Reactor

o el Jefe de Radioprotección y Seguridad. Registro de todas estas actividades son

redundados por el servidor de forma automática. Personal del Grupo de Seguridad

Radiológica del Centro Atómico deberá llevar un registro de todas las fuentes ra-

diactivas que existen en la instalación, su ubicación y su verificación cuando corres-

pondiese. Estas tareas son todas redundadas por el servidor de forma automática.

El préstamo de una fuente se hará en forma temporaria y a personas idóneas o au-

torizadas para su manejo, a quien se le darán las prescripciones específicas para su

manipulación. Estos datos son todos almacenados en servidor. Especificar el período

de tiempo, permite al servidor reaccionar con alarmas (mensajes, correo electróni-

co, SMS u otras tecnologías) si no se ha devuelto la fuente. Préstamos permanentes

sólo se realizarán en casos excepcionales, a personas físicas y calificadas, controlán-

dose periódicamente su tenencia segura. En todos los casos se llevará un registro

en una planilla de datos del usuario. Si la ubicación de la fuente cuenta con nodos

cercanos de acceso, esto se realiza de forma automática. Sino, existe la posibilidad

de extender el sistema con otras tecnologías para abarcar este aspecto, el seguimien-

to fuera de la instalación. Lo considerado en el desarrollo original respecto a esto

es el aviso de entrada o salidas de la instalación. Igualmente, las planillas pueden

llenarse mediante una aplicación cliente, donde el servidor valida los datos y envía

50


recordatorios periódicos.

Inventario

En una planilla especial, se inventariarán todas las fuentes radiactivas, colocando

sus principales características, tales como tipo de isótopo, actividad, forma física,

etc. y el lugar donde está depositada o el usuario permanente. La fuentes que cuente

con un dispositivo de rastreo como lo tratado en 3.1.2, llevarán un inventario en

tiempo real dentro del miembro y/o en el servidor.

Registros

El préstamo de fuentes radiactivas se registrará en una planilla, donde figurarán

los datos del usuario. Estas planillas serán archivadas en el Laboratorio de Segu-

ridad Radiológica del edificio del Reactor RA-6. Estas planillas pueden realizarse

mediante una aplicación cliente y quedaran redundadas en el servidor, junto con

toda la información relativa a dicha fuente ya mencionada. La forma más cómoda

de estas planillas es llenarlas a través de una página Web.

4.2.3. Escala de la supervisión

Al realizarse el control de forma automática y en tiempo real es posible llevar

un control mucho más exhaustivo e inteligente. Toda la información es guardada en

la base de datos del servidor que atiende a distintas peticiones de clientes. Dichas

peticiones pueden ser restrictas, irrestrictas o restrictas por operaciones, habiéndose

desarrollado actualmente únicamente las irrestrictas. El programa cliente que rea-

liza las peticiones puede encontrarse geográficamente ubicado en cualquier lugar

con acceso a la red. De esta forma es posible realizar un control jerarquizado, empe-

zando por el operador y responsable directo de la instalación y fuentes, siguiendo

por el organismo regulatorio regional, para terminar en un plano global de control

continuo de las fuentes, pasando también por consultas del público, accediendo a

información filtrada a través de Internet. Las autoridades de aplicación deben im-

plementar que información es de acceso autorizado solamente y cual puede ser de

dominio público. No es de competencia del presente trabajo establecer tal distin-

ción, sino proveer de las soluciones tecnológicas para lograrlo. La Fig. 4.2 muestra

51


los tres niveles de escala mencionados, donde a medida que se asciende en genera-

lidad a organismos más globales, más pueden ser los sistemas de control continuo

conectados y supervisados en cada etapa.

Iniciar una PrÆctica

Consulta en

Servidor

Información Supervisón

Responsable Oficial de RPUsuarioPublico IAEA ARN

Local

Personas fisicas que se

encuentren en la Instalación

Figura 4.2: Descripción de los actores principales del sistema para la aplicación de administración

de fuentes radioactivas.

4.2.4. Redundancia del control

Al contarse con procesos automatizados, con señales y alarmas automáticas en

redundancia de (no en reemplazo de) expertos en el área puede traer como conse-

cuencia la creación de señales espurias o falsas alarmas. Por este motivo se propone

como una primer instancia la implementación del sistema como redundancia de los

procedimientos actuales. Un proyecto de este tipo permitiría validar el sistema, de-

purarlo y caracterizarlo en cuanto a tasas de fallas y maniobras operativas adecua-

das para tender gradualmente a un sistema completamente automatizado, donde

los expertos lo utilicen a un nivel de supervisión.

4.2.5. Seguridad

Trabajos en el tema sobre encriptación de mensajes se han elaborado para pro-

veer de características de seguridad informática por [9]. En el presente desarrollo no

52

4. APLICACIONES Protección Radiológica Personal

se han implementados tales características.

4.2.6. Propuesta de Preproyecto

Para continuar hacia una implementación de un sistema de control continuo de

fuentes radioactivas hay que avanzar en una dirección con mayor profundidad.

Se plantea la necesidad de trabajar en conjunto o realizar una capacitación par-

ticular en la tecnología de semiconductores de CdTeZn. Estos semiconductores pre-

sentan un número atómico mayor , 48 para el Cd y 52 para el Te, a diferencia de

14 el Silicio o 32 el Ge. Esto representa un aumento en la interacción de gammas de

alta energía con la materia. Hoy en día es un tópico de interés tecnológico la apli-

cación de estos cristales para espectrometría gamma. Los equipos utilizados por los

inspectores de IAEA para control de salvaguardia utilizan equipos fabricados con

estos detectores para identificar espectros característicos debidos al decaimiento de

Cs de los elementos combustibles gastados. También se han realizado

4.3. Protección Radiológica Personal

La radioprotección emplea dosímetros para la protección radiológica del perso-

nal que trabaja en una central nuclear. Existen distintos tipos de sensores, basados

en fenómenos físicos similares de interacción de la radiación con la materia (ver 2.5).

La aplicación propuesta extiende el uso de estos dosímetros personales incorporán-

doles un dispositivo con el módulo miembro en una red con nodos de acceso.

En la actualidad se utilizan dosímetros personales electrónicos, donde almace-

nan la información de la dosis recibida y muestran la tasa de dosis en tiempo real.

El personal se lo coloca al ingresar a zona controlada y lo retira al salir de la misma.

En la entrada y salida de zona controlada debe habilitarlo y deshabilitarlo en una

computadora. En la salida la computadora muestra un resumen de la dosis equiva-

lente absorbida.

La utilización de dosímetros personales inalámbricos mediante la tecnología de

miembros desarrollada en el presente trabajo, provee las siguientes funciones adi-

cionales:

53

4. APLICACIONES Pruebas de Contención

Llevar un control de la ubicación aproximada y por recintos del personal den-

tro de zona controlada.

Obtener la dosis equivalente acumulada en tiempo real.

Obtener la tasa de dosis en tiempo real.

Redundar la información de los monitores de área.

Medir el tiempo de residencia del personal en cada recinto.

Generar un mapa de tasa de dosis de la instalación nuclear que permita reali-

zar tareas de optimización radiológica.

Es importante subrayar que para el personal, no se incrementan las tareas u ope-

raciones de utilizar el dosímetro inalámbrico a un dosímetro electrónico convencio-

nal. La utilización de uno u otro es transparente para el personal. Las diferencias se

presentan para el oficial de radioprotección. En este punto hay que mencionar que

la cantidad de información adquirida es considerablemente superior, ya que se ob-

tiene un seguimiento del dosímetro por recinto. La información puede ser accedida

a través de consultas como ha sido expuesto en la sección 3.2.2 o a través de aplica-

ciones clientes o páginas Web que realicen un procesamiento de la información y se

presenten los resultados para que el usuario pueda interpretarlos fácilmente. Es po-

sible utilizar un sistema de información geográfica (GIS) que trabaje con base de da-

tos relacionadas (DBRS) conectándolo al servidor de datos de MySQL directamente

proporcionando un entorno visual, referenciado gráficamente a la instalación.

4.4. Pruebas de Contención

En las centrales nucleares en general y en las CANDU en particular se deben

realizar ensayos para caracterizar el estado y comportamiento de la Estructura de

Contención del Edificio del Reactor. Las siguientes pruebas se han realizado en la

historia de la Central Nuclear Embalse:

Prueba de Presión

Velocidad de Fuga

54


4.4.1. Prueba de Presión

Las pruebas de presión se realizan con poca frecuencia en la vida de una central y

su objetivo es evaluar el comportamiento de la Estructura de Contención bajo la ac-

ción de una carga de presión interna. Durante estas pruebas se miden las siguientes

magnitudes:

Desplazamientos.

Deformaciones específicas.

Temperaturas en las superficies interna y externa del hormigón de la Estructu-

ra de Contención.

Presión del interior y exterior de la Estructura de Contención durante todo el

desarrollo de la Prueba de Presión.

Fisuras.

Rotación de la articulación entre la pared perimetral y la losa de base.

Movimiento de las juntas entre la primera y la segunda etapa de la viga anular

y entre la segunda etapa de la viga anular y el domo superior.

Deformaciones específicas en la zona de aberturas de la pared perimetral de la

Estructura de Contención.

En la tabla 4.1 se muestran los rangos y sensibilidades requeridos por esta prueba.

Tabla 4.1: Rangos y sensibilidades requeridas para los sensores en una prueba de velocidad de fuga.

Magnitud Rango de Operación Sensibilidad Instrumento utilizado

Desplazamientos 0 a 10(30) mm ±2 10−2 mm LVDT

Deformaciones X,Y ±5 10−4 ±1 10−6 SG 20cm

Temperatura (ext.) −15 a 40 žC ±0,5 oC

Temperatura (int.) 15 a 40 žC ±0,1 oC

Presión absoluta 0 a 245 kPa ±33,8 Pa Manómetro de Mercurio

55


La medición de las distintas magnitudes según se ha especificado en la tabla 4.1

se realizan en la central Nuclear Embalse, acorde a documentos de especificaciones

técnicas, a realizarse según los siguientes requerimientos:

Los instrumentos y el procedimiento de medición deberán ser tales de permitir

medir las magnitudes indicadas con una precisión de ±5 %

Los sistemas de medición utilizados permitirán llevar un registro continuo de

las lecturas de cada instrumento. Como “registro continuo” se debe entender

la posibilidad de efectuar con las frecuencias especificadas, el barrido e impre-

sión preferentemente automática o manual en su defecto, de todos los instru-

mentos, con identificación de los mismos y la hora de la medición.

Las centrales de medición estarán ubicadas en el exterior del Edificio del Reac-

tor. Los cables que conectan los instrumentos con las centrales de medición

saldrán del Edificio del Reactor a través de un caño camisa de instrumentos de

reserva. El Contratista deberá introducir en el Edificio del Reactor, antes del co-

mienzo de la Prueba de Presión, cables adicionales redundantes a los efectos

de poder reemplazar con la mayor prontitud algunos de los existentes, para el

caso que, por distintas razones, éstos resultaren dañados y/o fuera necesario

instalar nuevos instrumentos.

Con anterioridad y posterioridad a la ejecución de la Prueba de Presión se

efectuará la lectura de los distintos instrumentos.

Se deberá garantizar la confiabilidad del sistema de medición mediante la dis-

ponibilidad, en cualquier momento, de aparatos redundantes o de reserva.

Puede rescatarse aquí la utilización del sistema con los sensores ubicados en

miembros o de forma definitiva en los nodos de acceso, permite la eliminación de

la camisa con cables. Por otro la red de multihopping permite tener redundado el ca-

nal de comunicación hasta los sensores, y que de forma automática se seleccionen

nuevos caminos para redireccionar paquetes.

La propuesta de la presente aplicación es iniciar con proyectos de implementa-

ción de esta tecnología para redundar la información de las pruebas actuales. Vali-

dando y depurando la tecnología propuesta.

56


4.4.2. Velocidad de Fuga

Las pruebas de velocidad de fuga presentan una característica que es más intere-

sante a la prueba mencionada anteriormente. No existe el requerimiento de medir

desplazamientos y las pruebas se realizan cada un determinado período de tiempo.

Es decir varias veces en la vida de una central. Se entrará en mayor detalle en los

objetivos y resultados de la prueba para exponer las ventajas que presenta el sistema

propuesto.

Se pretende medir la tasa de pérdida de aire. El método que se utiliza consiste

básicamente en determinar la variación temporal de la presión absoluta y tempe-

ratura en la contención de la CNE, una vez que la misma ha sido presurizada con

una sobrepresión de aproximadamente 41,3 kPa, es decir una presión absoluta de

142 kPa. Se corrigen las mediciones por la temperatura y humedad del aire. Lo que

interesa es el cociente entre la presión parcial del aire y su temperatura, sin vapor de

agua. Que acorde al modelo de gases perfectos, representa a volumen constante una

cantidad representativa de la masa de gas. Para esto siempre se ha utilizado senso-

res de temperatura, presión absoluta, presión manométrica y de humedad relativa.

El período aproximado de medición es de 2 minutos, monitoreándose en cada ciclo,

cada sensor 20 veces a fin de obtener el valor medio correspondiente.

Medición de la temperatura

La temperatura del edificio promedio es medida usualmente en Canadá por el

método de termometría de alambre de resistencia eléctrica. Se exponen las alterna-

tivas utilizadas:

El alambre de resistencia distribuido a través del edificio. Con la resistencia de

cada elemento del alambre proporcional al volumen de aire que es monitorea-

do. La temperatura de aire promedio es proporcional a la resistencia total de

todos los elementos conectados en serie.

24 elementos RTD (Detector de Temperatura a Resistencia), dispuestos en un

recinto de medición, están ubicados en 24 puntos diferentes del edificio.

Es importante destacar que para cualquier alternativa, la medición del cambio de

temperatura durante la prueba será con una exactitud de ±0,1 oC. La temperatura

57


ambiente en las posiciones del edificio y los manómetros de presión atmosférica

deben ser medidos con la misma exactitud.

Utilizando el sensor de temperatura integrado de los Tmote Sky (ver Tabla 2.9) se

obtienen mediciones de temperatura con una precisión de 0,5oC. No obstante debe

tenerse presente que la magnitud de la temperatura es utilizada para tres cosas: para

realizar una corrección por dilatación térmica del mercurio, para realizar un cálculo

de la presión de vapor y para obtener el cociente presión sobre temperatura de cada

medición que debe ser pesado con la masa de aire representativa de cada sensor.

Medición de la presión

Las lecturas de la presión del edificio siempre son tomadas al ±33,8 Pa. Los

manuales de procedimiento (de más de 20 años) sugieren que el dispositivo más

adecuado es un manómetro de mercurio, debido a las altas presiones envueltas. Co-

rrecciones para cualquier cambio de la temperatura del líquido manométrica son

previstas.

Las lecturas de la presión atmosférica son tomadas con la misma exactitud y se

prevén las mismas correcciones por temperatura. De la Tabla 2.8 se infiere que un

sensor MPXA6400A sirve para el rango deseado. Es posible mejorar la precisión de

este componente utilizando el amplificador de resolución tratado en la sección 2.4.1.

En la planificación normal de estas prácticas se utiliza un solo equipo de medición

de presión.

Medición de la humedad relativa

Para esta determinación se utiliza un medidor de humedad relativa. La preci-

sión en la determinación de humedad relativa debe ser del orden del 1 % o mejor.

Se ubican dos puntos de muestreo en el edificio, uno en el área accesible y el otro

en la inaccesible. Para la determinación de la presión parcial se debe convertir la

humedad relativa al valor de la presión de vapor, de acuerdo a la ecuación definida

en la Norma DIN 25436, ecuaciones 2 y 3 del punto 7.2.

La determinación de la presión de vapor debe ser con una exactitud de ±135 Pa.

En la Tabla 2.9 se observa que es posible alcanzar este valor.

58


Propuesta de Preproyecto

Se realiza un estudio de prefactibilidad para la implementación de tecnologías

de redes de sensores inalámbrica en ensayos de velocidad de fuga.

Por simplicidad se propone la implementación del sistema para las pruebas de

velocidad de fugas. La tabla 4.2 resume los requisitos para esta prueba.

Tabla 4.2: Propuesta de continuación para llevar a cabo proyecto de Pruebas de Velocidad de fuga

con módulos Tmote Sky.

Diseño de Hardware

Alimentación de Red Eléctrica

Sensores MPXA6400

Amplificador de resolución

Desarrollo de módulos

Amplificación de resolución

Sensor de presión

Calibración Múltiple

Equipo necesario

30 módulos Tmote Sky con sensores de temperatura y presión integrados.

5 Sensores MPXA6400.

5 MC33079 o integrado de 4 amplificadores operacionales equivalente.

5 Fuentes de Alimentación de Red

Planificación, Diseño e Implementación del ensayo y de los módulos

Las mejores en redundar las prácticas con este método son las siguientes:

Se ahorra la tarea de tendido de cables.

Se maneja toda la información desde la base de datos con consultas en MySQL.

Los sensores de temperatura no necesitaran cables con blindaje contra pertur-

baciones electromagnéticas.

Al utilizar un transductor de presión integrado al mote en lugar de un manó-

metro de mercurio, es posible realizar mediciones en más puntos para obtener

59


un mejor muestreo. Que si bien cada medición tiene un error mayor que en el

caso usual, se obtiene un muestreo mas representativo de la cantidad de aire

total.

60

Capítulo 5

Conclusiones

Las redes inalámbricas de sensores mostraron ser una tecnología adecuada para

aplicaciones de sensado, seguimiento y administración de datos en módulos distri-

buidos dentro de un entorno de interés. Los sensores estudiados han superado los

requerimientos técnicos de las aplicaciones estudiadas, satisfaciendo los objetivos

del trabajo con excepción del caso de interacción de la radiación. Este estudio no

puede ser exhaustivo sin haber realizado pruebas y trabajos con cristales de TeCd.

Las tareas de continuación fueron propuestas dentro de cada sección del capítulo 4.

El estudio de los indicadores de intensidad de señal ha mostrado ser una he-

rramienta de utilidad para el seguimiento de módulos pero con una disminuida

repetitibilidad frente a cambios en el medio. Resulta dificultoso trabajar con resolu-

ción espacial de metros si existen insertazas en las características de los miembros

móviles. Pero sí es posible realizar un seguimiento por compartimientos y secciones

sin información espuria. De esta forma es posible ir acotando la localización de un

dispositivo con distintos márgenes de confianza.

Muchas tareas de control y supervisión tienen la difícil tarea de analizar los datos

de distintas unidades que controlan. Organismos globales como el Organismo Inter-

nacional de Energía Atómica están realizando esfuerzos en dos sentidos, mantener

un control en línea de la información relevante que controlan, y establecer norma-

tivas y procedimientos que garanticen una mayor seguridad para las prácticas con

fuentes radioactivas y evitar los inconvenientes ocasionados por las pérdidas de las

mismas. El sistema diseñado satisface estas dos condiciones. Se propone como con-

tinuación del mismo un proyecto piloto de implementación en una instalación con

61

5. CONCLUSIONES


Dos proyectos adicionales son estudiados que funcionan sobre la misma plata-

forma. Esta sinergia hace a las redes inalámbricas de sensores una tecnología fuer-

temente aplicable en materia de vigilancia y protección radiológica. Una vez que un

entorno de nodos de acceso es desplegado en la central el costo marginal de incorpo-

rar nuevas variables como presión, temperatura, humedad o monitores de radiación

es mínimo. Queda reducido únicamente al costo de dichos módulos y sensores ya

que el sistema de adquisición y despliegue ya se encuentran resueltos.

El sistema diseñado contribuye con aportes a la tecnología de redes inalámbricas

de sensores. Estos son una mejora del SerialForwarder, la capa de comunicación entre

motes y software, llamada WDS con un vínculo directo en una base de datos de fácil

acceso y uso como es MySQL. El otro aporte son los nodos de acceso, que al estar

instalados en un entorno permiten una entrada, salida y seguimiento de cualquier

otra aplicación realizada con motes. Sin la necesidad de utilizar en cada práctica una

computadora portátil ni un sistema de multihopping implementado en los motes.

Directamente los nodos de acceso representan la puerta de salida para cualquier

información de sensado.

62

Apéndice A

Planificación del trabajo

El presente trabajo fue realizado en la división de Control de Procesos del Centro

Atómico Bariloche bajo la dirección conjunta del Ing. Rubén Oscar Fernández y el

Ing. Félix Maciel con el objetivo de cumplimentar los requerimientos del Proyecto

Integrador para la obtención del título de Ingeniero Nuclear del Instituto Balseiro.

Figura A.1: Distribución de tareas del Proyecto Integrador en un diagrama de Gantt.

Las tareas consumieron un total estimativo de 1320 horas, en un año de trabajo a

medio tiempo, distribuidas temporalmente acorde al diagrama de la Fig. A.1. El cos-

to de Hardware utilizado incluyendo, módulos Tmote Sky, antenas, capacitores de

22F , pilas y paneles solares es de 2000 dólares incluyendo impuesto de importación

al país de los componentes comprados en el extranjero.

63

A. PLANIFICACIÓN DEL TRABAJO

No se consideran amortizaciones de equipos e instalaciones debido a que el tra-

bajo fue realizado como pasantía haciendo uso de equipamiento de laboratorios del

Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro. Las horas de consulta profesional y

cursos tomados son considerados como parte de la formación académica de la ca-

rrera de grado.

64

Apéndice B

Información de Referencia del

Servidor

El presente apéndice pretende ser una breve recopilación de la información re-

levante para aquel desarrollador de aplicaciones que quiera trabajar con el servidor

WDS.

B.1. Instalación

En el momento de elaboración de este apéndice el servidor wds funciona sin ar-

chivo de instalación copiando los archivos binarios necesarios.

B.2. Detalles de la implementación

Se abordará un detalle técnico, referente a las variables de almacenamiento: su

tipo de datos en particular. En nesC el byte con signo es representado como int8_t(no negativo el uint8_t), en C el equivalente es signed char (y unsigned char) y

en MySQL es TINYINT (y TINYINT UNSIGNED). Este es necesario tenerlo presente a

la hora de compatibilizar las estructuras de TinyOS con las consultas en la base de

datos. A excepción de que se especifiquen estructuras de mensajes particulares en

el servidor WDS, los mensajes son almacenados en la tabla log de la base de datos

wds.

65

B. SERVIDOR Como utilizar WDS

Si estructuras particulares son creadas, debe respetarse la relación entre los tipos

de datos mencionada anteriormente.

B.3. Como utilizar WDS

Se muestran distintos ejemplos que demuestran la potencia de tener los datos en

una base de datos MySQL.

La siguiente consulta muestra como obtener el valor medio y la desviación es-

tandar de un campo llamado rssMember:

SELECT avg(rssiMember),std(rssiMember) FROM ap1 GROUP BY addrAP, addrMember;

En este ejemplo la consulta genera resultados agrupados por número de Nodo

de Acceso. El resultado es la estadística de como ve cada nodo a cada miembro.

Cada nuevo mensaje recibido es almacenado con un sello temporal y un número

de identificación propio del registro que funciona a modo de clave única primaria.

La fecha y hora son almacenadas en el campo stamp.

La base de datos puede estar creada con todos los campos como de un byte sin

signo, en tal caso para convertirlo en variables con signo se puede realizar la si-

guiente cuenta:

SELECT CAST(-FLOOR( value /128)*256+ value AS SIGNED) FROM log;Recuerdese que se cuenta con toda la potencia de las consultas en SQL. La si-

guiente línea ejecutada en cualquier cliente de MySQL crea un archivo result.txtcon los parámetros estadísticos del campo de intensidad de señal rssiMember crea-

dos en el último minuto agrupados cada 15 segundos.

SELECT MIN(stamp), avg(rssiMember),std(rssiMember)FROM ap1 LEFT JOIN log ON(log.indice=ap1.idref)WHERE stamp>now(60) and addrMember=2GROUP BY addrAP, addrMember, FLOOR(time_to_sec(stamp)/15)INTO OUTFILE 'result.txt';

O directamente desde cualquier terminal de red la siguiente línea para verificar

si se ha reportado el miembro número 27:

66

B. SERVIDOR Como utilizar WDS

mysql -u wds -ppassword -h host -s -e "connect wds; select count(*)from ap1 where addrMember=27";

67

Apéndice C

Almacenamiento en Seco de

Elementos Combustibles Quemados

Este apéndice detalla y enumera los pasos y etapas del final del ciclo de un ele-

mento combustible en una central nuclear Candu. Es necesario retirar EECC que-

mados del cementerio húmedo. Esto es debido al tamaño reducido de la pileta de

decaimiento de EECC y a la continua necesidad de almacenar los EECC que salen

del reactor.

El EC es transferido del repositorio húmedo a un repositorio seco. Debido a que

de cada EC Candu quemado puede ser extraído 60g de Pu y una cantidad de 5 kg

puede ser empleada para usos no pacíficos, toda la manipulación de los EC quema-

dos se realiza bajo control de salvaguardias.

En la división de control de procesos se ha trabajado en este tema, ver [9]. Siendo

un caso particular de la aplicación descripta en la sección 4.2 del cuerpo principal al

que pertenece este apéndice. Las opciones de alimentación estudiadas en la sección

2.6.2 están orientadas a esta aplicación.

A continuación se realizan algunas observaciones realizadas durante la pasan-

tía realizada en el segundo semestre del año 2005 sobre la implementación de este

sistema. Las opciones estudiadas son dos:

Colocar un dispositivo en el canasto de EECC quemados.

Colocar un dispositivo en el Flask de transporte.

Las empresas ASECQ se realizan periódicamente por duración de 2 o 3 meses.

68

C. ASECQ Preparación de los Elementos Combustibles

C.1. Preparación de los Elementos Combustibles

Del recambio de elementos combustibles se extraen del reactor 8 EC. La Ofici-

na de Física y Estrategia de EECC lleva control de los números de los Elementos

Combustibles colocados en una bandeja. Las bandejas tienen capacidad para 24 EC.

Una vez llenado un canasto se pasa a la pileta principal por una bandeja que se des-

plaza. Las piletas se encuentran conectadas por una compuerta que normalmente

permanece cerrada.

C.1.1. Pileta de Decaimiento

Hay 14× 7(de la A a la G) columnas de 9 bandejas. Las bandejas nuevas se colo-

can en una posición que deja registro en la Oficina de Física y Estrategia de EECC.

La Oficina prepara propuestas de los EC que pasan a almacenamiento transitorio en

seco basándose en los que tienen más de 6 años en pileta de decaimiento. Se coloca

la bandeja en la mesa con mordazas . Todas las maniobras en pileta se realizan me-

diante un puente grúa y herramientas de accionamiento manual de los operarios.

Con una herramienta de sujeción vertical se procede a la carga de los EECC en el

canasto. Entran dos bandejas y media en un canasto.

C.1.2. El Canasto

El canasto está compuesto por dos partes, una grilla inferior y una tapa superior.

La grilla inferior se sumerge en la pileta. Esto compromete bastante la utilización

de un dispositivo en el interior del canasto colocándolo en la grilla o base de él. No

obstante la tapa no es introducida en la pileta nunca.

Cabe mencionar que en el presente trabajo se han realizado en la sección 2.3

pruebas del funcionamiento de los módulos Tmote Sky a través de superficies con-

ductoras y debajo del agua. Se debe garantizar impermeabilidad.

C.1.3. Salvaguardia. Inspección Random

Durante el manejo del ASECQ tres inspectores se encuentran supervisando las

tareas por cuestiones de salvaguardias. Uno por la ARN otro por la ABBAC y otro

69

C. ASECQ Lavado, Secado y Soldadura

por la OIEA. La ARN funciona a modo de anfitrión para los otros dos organismos.

Cuando la grilla se encuentra cargada con 60 EECC se prepara un documento con

las posiciones y los números de los EECC correspondientes. Se realiza una inspec-

ción aleatoria de dos elementos combustibles. Se verifica que el número de EECC

coincida con el correspondiente del documento. A continuación se realiza una es-

pectrometría gamma en el rango de energías 600-700 kev para identificar la presen-

cia de Cs. Se toman los EECC con la herramienta de agarre vertical y se lo aproxima

a una detector de radiación gamma a una distancia aproximada de 1 metro. Todo

bajo pileta. Los espectros de radiación son guardados por los inspectores.

Con esta tarea se verifica estadísticamente que el contenido de los ensambles

sea material nuclear quemado. Por lo que esta tarea garantiza que el contenido del

canasto cuando se encuentra lleno y en el fondo de la pileta sea el correcto.

C.2. Lavado, Secado y Soldadura

Con una pluma de 12 Ton. Se levanta la tapa del blindaje y se hace descender al

fondo de la pileta, colocándose sobre el blindaje. En este momento la disposición es

un Blindaje con su tapa, que en su interior tiene un canasto sin tapa, que en su inte-

rior tiene 60 EECC de los cuales se ha verificado su contenido de forma estadística.

La pluma opera con una percha que tiene dos agarres, uno para el blindaje y otro

para su tapa. El blindaje es sacado del agua, es lavado luego ingresa a la cámara de

soldadura

Una serie de maniobras anteceden al proceso de soldadura. El proceso es au-

tomatizado y consiste en ubicar la tapa sobre el canasto, secar su interior con una

corriente de aire. Se coloca la tapa ligeramente levantada dejando luz por la parte

superior e inferior. Un toroide hueco inferior, cierra herméticamente la luz entre la

tapa y la grilla y una manga se coloca en la abertura superior. Se inicia el proceso

de secado donde ingresa aire con humedad cero a aproximadamente 80žC. Se mi-

de la humedad del aire saliente que inicialmente es del orden del 40 %. No se han

probado los motes a tales temperaturas.

Luego la tapa se apoya sobre el canasto y se comienzan los procesos de soldadu-

ras. Luego se toma el canasto y se sube por el vano hasta el flask de transporte. Una

vez que el canasto sube al flask de transporte no es visto nunca más. La inspección

70

C. ASECQ Transporte hasta el silo

de salvaguardias continúa sólo siguiendo al flask de transporte.

C.3. Transporte hasta el silo

El portón es abierto e ingresa al recinto el vehículo de transporte. Un pórtico con

una grúa de 20 toneladas manipula el flask y lo coloca en el acople del transpor-

te. Luego, es llevado por un operador al volante hasta los silos de almacenamiento

transitorio en seco. Esta tarea se realiza con los inspectores de salvaguardias presen-

tes. El control de salvaguardias requiere verificar que el canasto se encuentre dentro

del flask. Esta verificación se realiza midiendo tasa de dosis desde el exterior del

blindaje del task de transporte.

C.4. Almacenamiento en silo

Hay 120 silos construidos, con una capacidad de 9 canastos por silos y 60 EECC

por canasto. Se retiran los precintos provisorios de ABBAC y OIEA y se destapa el

silo, luego se coloca el flask sobre el silo. Luego un operador asciende sobre el flask

y opera el descenso del canasto hasta la posición correspondiente. Los inspectores

colocan los nuevos precintos y el flask vacío es depositado en el acople del transpor-

te, es inspeccionado por salvaguardias para corroborar que haya sido vaciado, para

ser llevado nuevamente a la cámara de soldadura.

Los precintos de salvaguardias son dos, uno por ABBAC, alambre fino, y otro

por OIEA, de alambre más grueso. Se colocan sendas chapitas en forma de botón

con un número grabado en su dorso. De esta forma se garantiza la inviolabilidad de

la tapa de la carga de un canasto hasta el siguiente.

71

Apéndice D

Celdas Betavoltáicas

La universidad de Rochester realizó estudios para producir una variante geomé-

trica a las celdas fotovoltaicas tradicionales. El estudio publicado en [10] muestra

resultados de fabricación de silicio poroso en un cuerpo tridimensional y con volu-

men en contraposición del tradicional panel solar delgado.

Silicios y otros semiconductores son construidos en grandes volúmenes para au-

mentar la eficiencia de los detectores de estado sólido. La ventaja de este modelo

poroso es que su constitución corresponde más a un modelo plano, plegado y distri-

buido tridimensionalmente. La mejora se consigue al utilizar radiación de electrones

a diferencia de gammas. La interacción de la radiación de electrones con la materia

tiene un rango característico de unos pocos micrómetros, a diferencia del compor-

tamiento exponencial de los gammas. Por este motivo es posible entregar toda la

energía de los electrones en una primer capa delgada. De esta forma es posible lle-

nar el dispositivo con un líquido o gas que emita electrones de modo de conseguir

una superficie de interacción enorme.

El silicio poroso consiste en una red interconectada de poros formados por anodi-

zación electroquímica. Es posible obtener tres tipos de poros:

Microporos. Tamaño mayor que 2 nm.

Mesoporos. Tamaño de 2 nm a 50 nm.

Macroporos. Tamaño superior a 50 nm.

Donde los macroporos presentan el comportamiento más similar a superficies

planas 2D. Luego del proceso de formación de macroporos se realiza el proceso de

72

D. CELDAS BETAVOLTÁICAS

difusión que produce la juntura p-n. Finalmente una capa de aluminio u otro con-

ductor es necesaria a nivel superficial para realizar todos los contactos eléctricos.

Los parámetros técnicos reportados medios para la construcción de este tipo de se-

miconductor se muestran en la Tabla D.1

Tabla D.1: Parámetros técnicos estimados del semiconductor poroso publicados en [10]

Tensión 0,8 V

Concentración Dopante N 5× 1018 cm−3

Profundidad de difusión 1,4µm

La propuesta es utilizar las partículas beta del decaimiento del tritio que tienen

un rango en silicio de 0,79µmSe observa que la profundidad de difusión es 1,4µm.

La elección de tritio proporciona al dispositivo una vida media de 12,3 años. Estos

estudios fueron en parte financiados por la National Science Fundation, NSF. Se ha

generado la empresa BetaBatt para comercializar los productos que se detallan en la

Tabla D.2.

Tabla D.2: Productos ofrecidos por BetaBatt. Valores iniciales. Tamaño de fuente: 2,4 cm de diámetro

y 1,7 mm de espesor.

Generación 1

Densidad de energía 50µWcm3

Corriente 25µA

Tensión 1V

Generación 2

Densidad de energía 125µWcm3

Corriente 63µA

Tensión 1V

73

Referencias

[1] The safety of radiation sources and the security of radioactive materials, 1998.

[2] Analog to digital converter resolution extension using a pressure sensor. Ap-

plication Note. Freescale Semiconductor, 2005. AN1100.

[3] L. C. Brown. Direct energy conversion fission reactor. annual report to the u.s.

department of energy. Technical report, Nuclear Energy Research Initiative,

2000.

[4] M. M. El-Wakil. Nuclear Energy Conversion. The American Nuclear Society,

1978.

[5] IAEA Library Cataloguing in Publication Data, editor. Security of radioactive

sources. IAEA, 2003.

[6] Scott Klemmer, Sarah Waterson, and Kamin Whitehouse. An empirical

analysis of tinyos rf networking (and beyond...). Technical report, CS Divi-

sion, EECS Department. University of California at Berkeley, Retrieved from

http://guir.berkeley.edu/projects/location/.

[7] Glenn F. Knoll. Radiation Detection and Measurement. John Wiley and Sons, 1979.

ISBN 0-471-49545-X.

[8] Gabriel O. Meyer. Celdas Solares de CdS/CdTe. PhD thesis, Instituto Balseiro,

1992.

[9] Guillermo O. De Cesco Millán. Aplicación de redes inalámbricas de sensores

al monitoreo del transporte de elementos combustibles quemados. Master’s

thesis, Instituto Balseiro - U.N. de Cuyo, Junio 2005.

74

REFERENCIAS

[10] Wei Sun, Nazir P. Kherani, Karl D. Hirschman, Larry L., Gadeken, and Philip-

pe M. Fauchert. A three-dimensional porous silicon p-n diode for betavoltaics

and photovoltaics. Adv. Mater., 17:1230–1233, 2005.

[11] Texas Instrument. 2.4GHzIEEE802.15.4/ZigBee-readyRFTransceiver.

[12] Texas Instrument. MSP430x1xx Family User’s Guide, 2006. SLAU049F.

75

Agradecimientos

A la gente de la División Control de Procesos, profesionales y técnico, por los

invaluables recursos que han puesto a mi disposición para que puediera realizar

un trabajo interesante y que rindiera sus frutos. Muy especialmente a Guillermo De

Cesco quien se ha sentado conmigo numerosas horas, para explicarme desde las ba-

ses de nesC hasta para estudiar mis diseños en conjunto. A Fabián Lema por sus

sugerencias sobre el servidor y su ayuda en la implementación del sistema utilizan-

do bases de datos MySQL.

Al Grupo de Desarrollos Electrónicos, en particular a Federico Rogé y Enzo Sau-

ro por esas incontables charlas de pasillo que me han dado rumbo en las pruebas

con componentes electrónicos y mu especialmente al Técnico Jalil Elías por su ayu-

da, consejos y disponibilidad de recursos que me ha brindado para la adaptación

de las antenas externas a los módulos. A Martín Alurralde por el tiempo que ha

dedicado ayudarme a comprender el funcinamiento de las celdas fotovoltáicas y a

aclararme el origen de los daños que produce la radiación en los componentes elec-

trónicos y semiconductores.

A la gente de la campaña ASECQ de septiembre del 2005, en especial a Juan

Carlos Bogdan, por permitirme vivir y planificar in-situ las opciones de implemen-

tación para tales empresas y brindarme además la posibilidad de estar en contacto

con los inspectores de salvaguardias. También a Carlos Salas y Rubén Piquin por su

colaboración a la distancia y su aporte con equipo de dosimetría.

A Carlos Fernández por representar una retroalimentación importante del tra-

bajo en materia de radioprotección y questiones sociales, como así también y junto

a Guillermo Facchini por colaborar en las pruebas de interacción de la radiación

con la materia y las pruebas de seguimiento y localización realizadas en el Reactor.

A Nidia Gatica por su colaboración en materia de información acerca de fuentes

76

REFERENCIAS

radioactivas.

A mi familia, por el apoyo que me han dado en estos arduos años de trabajo y

por la inagotable tolerancia.

Muy especialmente por representar la musa inspiradora de mi trabajo. Y además

por soportartar lo que pocos se animan (es decir a un alumno en las horas finales de

una fecha límite). A ella, el amor de mi corazón, Andrea.

77

proyecto integrador de la carrera de ingenierÍa

Documents