Redes inalámbricas de sensores para sistemas de monitoreo de estructuras civiles

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(1)REDES INALÁMBRICAS DE SENSORES PARA SISTEMAS DE MONITOREO DE ESTRUCTURAS CIVILES. MIGUEL ARNULFO SAUMETT LEÓN. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE SISTEMAS Y COMPUTACIÓN BOGOTÁ D.C. 2008. I.

(2) REDES INALÁMBRICAS DE SENSORES PARA SISTEMAS DE MONITOREO DE ESTRUCTURAS CIVILES. MIGUEL ARNULFO SAUMETT LEÓN. Trabajo de Grado presentado como requisito para optar por el título de: Magíster en Ingeniería de Sistemas y Computación Asesor: Ph. D. Harold Castro. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DE SISTEMAS Y COMPUTACIÓN BOGOTÁ D.C. 2008. II.

(3) CONTENIDO. CONTENIDO.......................................................................................................... III LISTA DE FIGURAS ............................................................................................... V LISTA DE TABLAS .............................................................................................. VIII 1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................ 1 1.1. SISTEMAS DE MONITOREO DE ESTRUCTURAS CIVILES.......................... 2 1.1.1. Sensores inteligentes .................................................................................... 4 1.1.2. Sensores inteligentes para monitoreo de estructuras civiles ......................... 6 1.2. REDES INALAMBRICAS DE SENSORES ...................................................... 7 2. OBJETIVOS ...................................................................................................... 10 2.1. GENERAL ...................................................................................................... 10 2.2. ESPECIFICOS ............................................................................................... 10 3. ESTADO DEL ARTE ......................................................................................... 11 3.1. SISTEMA DE MONITOREO DE ESTRUCTURAS CIVILES Y LAS REDES INALAMBRICAS DE SENSORES ..................................................................... 11 3.2. IMPLEMENTACIÓN DE UNA SOLUCIÓN SHM CON WSN EN CONDICIONES DE LABORATORIO AL INTERIOR DE LA UNIVERSIDAD .... 15 3.2.1. Sistema de desarrollo para redes inalámbricas de sensores ...................... 15 3.2.2. Entorno de desarrollo de software para redes inalámbricas de sensores ... 17 3.2.3. Red inalámbrica de sensores sobre una estructura de prueba ................... 19 3.2.4. Red inalámbrica de sensores sobre una mesa vibratoria............................ 22 4. DESARROLLOS EN EL ÁREA DE LOS SISTEMAS DE MONITOREO DE ESTRUCTURAS CIVILES..................................................................................... 30 4.1. IDENTIFICACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS PARA UN SISTEMA DE MONITOREO DE ESTRUCTURAS CIVILES .................................................... 31 4.2. TAXONOMÍA PROPUESTA PARA LOS SISTEMAS DE MONITOREO DE ESTRUCTURAS CIVILES ................................................................................. 32 5. PROTOCOLOS DE ENRUTAMIENTO PARA REDES INALÁMBRICAS DE SENSORES .......................................................................................................... 38 5.1. TAXONOMÍA PROPUESTA PARA LOS PROTOCOLOS DE ENRUTAMIENTO PARA REDES INALÁMBRICAS DE SENSORES................ 38 5.2. CONDICIONES QUE DETERMINAN EL COMPORTAMIENTO DE LOS PROTOCOLOS DE ENRUTAMIENTO PARA SISTEMAS DE MONITOREO DE ESTRUCTURAS CIVILES ................................................................................. 45 6. SELECCIÓN DE PROTOCOLOS DE ENRUTAMIENTO PARA SISTEMAS DE MONITOREO DE ESTRUCTURAS CIVILES........................................................ 48 6.1. PROTOCOLO TOW-TIER DATA DISEMINATION ........................................ 50 6.2. PROTOCOLO FAST LOCAL CLUSTERING SERVICE ................................. 52. III.

(4) 7. COMPARACION DE LOS PROTOCOLOS DE ENRUTAMIENTO PARA SISTEMAS DE MONITOREO DE ESTRUCTURAS CIVILES............................... 54 7.1. METRICAS PARA EVALUAR UN SISTEMA DE MONITOREO DE ESTRUCTURAS CIVILES ................................................................................. 54 7.1.1. Densidad ..................................................................................................... 55 7.1.2. Distribución ................................................................................................. 55 7.1.3. Tamaño ....................................................................................................... 56 7.1.4. Potencia ...................................................................................................... 56 7.2. SIMULACIÓN DE PROTOCOLOS DE ENRUTAMIENTO SELECCIONADOS .......................................................................................................................... 57 7.2.1. Herramienta de simulación .......................................................................... 57 7.2.2. Métricas utilizadas en las simulaciones para comparar los protocolos ....... 58 7.2.3. Resultados de las simulaciones entre los protocolos TTDD y FLOC .......... 59 7.2.3.1 Resultados de comparación de los protocolos TTDD y FLOC variando el área y la cantidad de nodos ....................................................................... 68 7.2.3.2 Resultados de comparación de los protocolos TTDD y FLOC variando la velocidad y la cantidad de nodos................................................................ 83 8. CONCLUSIONES.............................................................................................. 96 9. TRABAJOS FUTUROS ..................................................................................... 97 10. ANEXO: APLICACIÓN DE PRUEBA SOBRE SISTEMAS DE DESARROLLO PARA REDES INALÁMBRICAS DE SENSORES ................................................. 98 11. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................. 103. IV.

(5) LISTA DE FIGURAS FIGURA 1. UN SENSOR TRADICIONAL INTEGRADO. ............................................................. 5 FIGURA 2. SENSOR INTELIGENTE. .............................................................................................. 5 FIGURA 3. PROTOTIPO DE SENSOR INTELIGENTE [37]. ......................................................... 7 FIGURA 4. RED DE SENSORES ALAMBRADA. ........................................................................ 13 FIGURA 5. SISTEMA INALÁMBRICO SHM DESCENTRALIZADO CON CONEXIÓN POR SALTOS. .................................................................................................................................. 13 FIGURA 6. SISTEMA INALÁMBRICO SHM DESCENTRALIZADO CON CONEXIÓN HIBRIDA. ................................................................................................................................ 14 FIGURA 7. ARQUITECTURA DE RED PARA KIT DE DESARROLLO DE REDES INALÁMBRICAS DE SENSORES......................................................................................... 16 FIGURA 8. IRIS XM2110 ESTÁNDAR A LA IZQUIERDA, Y DIAGRAMA DE BLOQUES A LA DERECHA. ........................................................................................................................ 16 FIGURA 9. VISTA SUPERIOR DE MIB520. ................................................................................. 17 FIGURA 10. A LA IZQUIERDA ESTRUCTURA DE PRUEBA Y A LA DERECHA UNIDAD DE CONTROL AUTOMÁTICA. ............................................................................................ 20 FIGURA 11. ESTRUCTURA DE PRUEBA Y RED DE SENSORES INALÁMBRICOS. ........... 21 FIGURA 12. INTERFAZ DE USUARIO Y DATOS RECOLECTADOS. ARRIBA TOPOLOGÍA DE LA RED INALÁMBRICA DE SENSORES. ABAJO LECTURAS DE LOS DATOS OBTENIDOS POR LOS NODOS SENSORES....................................................................... 22 FIGURA 13. FUNCIÓN DE RAMPA PARA SENSORES DE REFERENCIA UTILIZANDO MESA VIBRATORIA. ............................................................................................................ 24 FIGURA 14. FUNCIÓN DE RAMPA PARA UN SENSOR DE REFERENCIA. .......................... 24 FIGURA 15. FUNCIÓN DE RAMPA PARA SENSORES INALÁMBRICOS. ............................. 25 FIGURA 16. VISTA GENERAL DE SENSORES DE REFERENCIA CABLEADOS Y SENSORES INALÁMBRICOS. .............................................................................................. 27 FIGURA 17. DETALLE DE MONTAJE DEL SENSOR INALÁMBRICO SOBRE LA MESA VIBRATORIA.......................................................................................................................... 27 FIGURA 18. VISUALIZACIÓN DE DATOS SOBRE SOFTWARE CLIENTE. .......................... 29 FIGURA 19. DETALLE DEL SOFTWARE DE CONTROL DE LA MESA VIBRATORIA. ...... 29 FIGURA 20. TAXONOMÍA PARA PROTOCOLOS DE ENRUTAMIENTO EN WSN [1]. ........ 39 FIGURA 21. CLUSTER JERÁRQUICO [43]. ................................................................................. 49 FIGURA 22. SOLICITUD EN DOS CAPAS Y ENVIÓ DE DATOS ENTRE FUENTE A Y SINK S1 Y SINK S2 [76]. ................................................................................................................... 51 FIGURA 23. CADA PAR DE PARÉNTESIS CONSTITUYE UN CLUSTER, Y LOS NODOS OSCUROS DENOTAN LOS CH [10]. .................................................................................... 53 FIGURA 24. UN NUEVO NODO J SE UNE A LA RED ENTRE LOS CH L Y K [10]. .............. 53 FIGURA 25. EL NODO J FORMA UN NUEVO CLUSTER Y CONLLEVA A LA FORMACIÓN DE LOS CLUSTER SOBRE TODA LA RED [10]. ................................................................ 53 FIGURA 26. TTDD – TASA DE EFECTIVIDAD VS. SINK, ÁREA DE 2000M X 2000M [76]. 60 FIGURA 27. TTDD – DEMORA VS. SINK, ÁREA DE 2000M X 2000M [76]. ........................... 61 FIGURA 28. TTDD – CARGA DE ENRUTAMIENTO VS. SINK, ÁREA DE 2000M X 2000M.61 FIGURA 29. FLOC – TASA DE EFECTIVIDAD VS. SINK, ÁREA DE 2000M X 2000M. ........ 63 FIGURA 30. FLOC – DEMORA VS. SINK, ÁREA DE 2000M X 2000M. ................................... 63 FIGURA 31. FLOC – CARGA DE ENRUTAMIENTO VS. SINK, ÁREA DE 2000M X 2000M. 64. V.

(6) FIGURA 32. TTDD – TASA DE EFECTIVIDAD VS. MOVILIDAD DE SINK, ÁREA DE 2000M X 2000M [76]. .......................................................................................................................... 65 FIGURA 33. TTDD – DEMORA VS. MOVILIDAD DE SINK, ÁREA DE 2000M X 2000M [76]. .................................................................................................................................................. 65 FIGURA 34. TTDD – CARGA DE ENRUTAMIENTO VS. MOVILIDAD, ÁREA DE 2000M X 2000M....................................................................................................................................... 66 FIGURA 35. FLOC – TASA DE EFECTIVIDAD VS. MOVILIDAD, ÁREA DE 2000M X 2000M....................................................................................................................................... 66 FIGURA 36. FLOC – DEMORA VS. MOVILIDAD, ÁREA DE 2000M X 2000M. ..................... 67 FIGURA 37. FLOC – CARGA DE ENRUTAMIENTO VS. MOVILIDAD, ÁREA DE 2000M X 2000M....................................................................................................................................... 67 FIGURA 38. TTDD – TASA DE EFECTIVIDAD VS. SINK, ÁREA DE 1200M X 1200M. ........ 68 FIGURA 39. TTDD – DEMORA VS. SINK, ÁREA DE 1200M X 1200M.................................... 69 FIGURA 40. TTDD – CARGA DE ENRUTAMIENTO VS. SINK, ÁREA DE 1200M X 1200M.69 FIGURA 41. FLOC – TASA DE EFECTIVIDAD VS. SINK, ÁREA DE 1200M X 1200M. ........ 70 FIGURA 42. FLOC – DEMORA VS. SINK, ÁREA DE 1200M X 1200M. ................................... 70 FIGURA 43. FLOC – CARGA DE ENRUTAMIENTO VS. SINK, ÁREA DE 1200M X 1200M. 71 FIGURA 44. FLOC – TASA DE EFECTIVIDAD VS. SINK, ÁREA DE 600M X 600M. ............ 71 FIGURA 45. FLOC – DEMORA VS. SINK, ÁREA DE 600M X 600M. ....................................... 72 FIGURA 46. FLOC – CARGA DE ENRUTAMIENTO VS. SINK, ÁREA DE 600M X 600M. ... 72 FIGURA 47. TTDD – TASA DE EFECTIVIDAD VS. SINK, ÁREA DE 1200M X 1200M. ........ 73 FIGURA 48. TTDD – DEMORA VS. SINK, ÁREA DE 1200M X 1200M.................................... 73 FIGURA 49. TTDD – CARGA DE ENRUTAMIENTO VS. SINK, ÁREA DE 1200M X 1200M.74 FIGURA 50. TTDD – TASA DE EFECTIVIDAD VS. SINK, ÁREA DE 600M X 600M. ............ 74 FIGURA 51. TTDD – DEMORA VS. SINK, ÁREA DE 600M X 600M........................................ 75 FIGURA 52. TTDD – CARGA DE ENRUTAMIENTO VS. SINK, ÁREA DE 600M X 600M. ... 75 FIGURA 53. FLOC – TASA DE EFECTIVIDAD VS. SINK, ÁREA DE 1200M X 1200M. ........ 76 FIGURA 54. FLOC – DEMORA VS. SINK, ÁREA DE 1200M X 1200M. ................................... 76 FIGURA 55. FLOC – CARGA DE ENRUTAMIENTO VS. SINK, ÁREA DE 1200M X 1200M. 77 FIGURA 56. FLOC – TASA DE EFECTIVIDAD VS. SINK, ÁREA DE 600M X 600M. ............ 77 FIGURA 57. FLOC – DEMORA VS. SINK, ÁREA DE 600M X 600M. ....................................... 78 FIGURA 58. FLOC – CARGA DE ENRUTAMIENTO VS. SINK, ÁREA DE 600M X 600M. ... 78 FIGURA 59. TTDD – TASA DE EFECTIVIDAD VS. SINK, ÁREA DE 1200M X 1200M. ........ 79 FIGURA 60. TTDD – DEMORA VS. SINK, ÁREA DE 1200M X 1200M.................................... 79 FIGURA 61. TTDD – CARGA DE ENRUTAMIENTO VS. SINK, ÁREA DE 1200M X 1200M.80 FIGURA 62. FLOC – TASA DE EFECTIVIDAD VS. SINK, ÁREA DE 1200M X 1200M. ........ 80 FIGURA 63. FLOC – DEMORA VS. SINK, ÁREA DE 1200M X 1200M. ................................... 81 FIGURA 64. FLOC – CARGA DE ENRUTAMIENTO VS. SINK, ÁREA DE 1200M X 1200M. 81 FIGURA 65. FLOC – TASA DE EFECTIVIDAD VS. SINK, ÁREA DE 600M X 600M. ............ 82 FIGURA 66. FLOC – DEMORA VS. SINK, ÁREA DE 600M X 600M. ....................................... 82 FIGURA 67. FLOC – CARGA DE ENRUTAMIENTO VS. SINK, ÁREA DE 600M X 600M. ... 83 FIGURA 68. TTDD – TASA DE EFECTIVIDAD VS. MOVILIDAD. .......................................... 84 FIGURA 69. TTDD – DEMORA VS. MOVILIDAD. ..................................................................... 84 FIGURA 70. TTDD – CARGA DE ENRUTAMIENTO VS. MOVILIDAD. ................................. 85 FIGURA 71. FLOC – TASA DE EFECTIVIDAD VS. MOVILIDAD. ........................................... 85 FIGURA 72. FLOC – DEMORA VS. MOVILIDAD. ..................................................................... 86 FIGURA 73. FLOC – CARGA DE ENRUTAMIENTO VS. MOVILIDAD. .................................. 86 FIGURA 74. TTDD – TASA DE EFECTIVIDAD VS. MOVILIDAD. .......................................... 87 FIGURA 75. TTDD – DEMORA VS. MOVILIDAD. ..................................................................... 87. VI.

(7) FIGURA 76. TTDD – CARGA DE ENRUTAMIENTO VS. MOVILIDAD. ................................. 88 FIGURA 77. FLOC – TASA DE EFECTIVIDAD VS. MOVILIDAD. ........................................... 88 FIGURA 78. FLOC – DEMORA VS. MOVILIDAD. ..................................................................... 89 FIGURA 79. FLOC – CARGA DE ENRUTAMIENTO VS. MOVILIDAD. .................................. 89 FIGURA 80. TTDD – TASA DE EFECTIVIDAD VS. MOVILIDAD. .......................................... 90 FIGURA 81. TTDD – DEMORA VS. MOVILIDAD. ..................................................................... 90 FIGURA 82. TTDD – CARGA DE ENRUTAMIENTO VS. MOVILIDAD. ................................. 91 FIGURA 83. FLOC – TASA DE EFECTIVIDAD VS. MOVILIDAD. ........................................... 91 FIGURA 84. FLOC – DEMORA VS. MOVILIDAD. ..................................................................... 92 FIGURA 85. FLOC – CARGA DE ENRUTAMIENTO VS. MOVILIDAD. .................................. 92 FIGURA 86. INTERFAZ DE USUARIO PARA VISUALIZACIÓN Y ADMINISTRACIÓN DE MOTES................................................................................................................................... 102. VII.

(8) LISTA DE TABLAS TABLA 1. TAXONOMÍA PROPUESTA PARA SISTEMAS DE MONITOREO DE ESTRUCTURAS CIVILES. .................................................................................................... 33 TABLA 2. CONVENCIONES DE LA TAXONOMÍA PROPUESTA PARA SISTEMAS DE MONITOREO DE ESTRUCTURAS CIVILES ...................................................................... 36 TABLA 3. TAXONOMÍA PROPUESTA PARA SISTEMAS DE MONITOREO DE ESTRUCTURAS CIVILES ..................................................................................................... 37 TABLA 4. TAXONOMÍA PARA PROTOCOLOS DE ENRUTAMIENTO EN REDES INALÁMBRICAS DE SENSORES......................................................................................... 44 TABLA 5. TAXONOMÍA PARA PROTOCOLOS DE ENRUTAMIENTO EN REDES INALÁMBRICAS DE SENSORES PARA APLICACIONES DE MONITOREO DE ESTRUCTURAS CIVILES. .................................................................................................... 47 TABLA 6. PARÁMETROS UTILIZADOS PARA EL PROTOCOLO TTDD. .............................. 60 TABLA 7. PARÁMETROS UTILIZADOS PARA EL PROTOCOLO FLOC. .............................. 62 TABLA 8. RESULTADOS COMPARATIVOS DE LAS SIMULACIONES PARA LA TASA DE EFECTIVIDAD. ....................................................................................................................... 93 TABLA 9. RESULTADOS COMPARATIVOS DE LAS SIMULACIONES PARA EL PROMEDIO DE RETARDO EXTREMO A EXTREMO DE PAQUETES DE DATOS. ..... 93 TABLA 10. RESULTADOS COMPARATIVOS DE LAS SIMULACIONES PARA LA CARGA DE ENRUTAMIENTO. ........................................................................................................... 94. VIII.

(9) IX.

(10) 1. INTRODUCCIÓN En los tiempos presentes donde es notable la proliferación y penetración de las diferentes tecnologías inalámbricas a nivel mundial, entre las cuales se encuentran las redes inalámbricas de sensores, se puede observar un acelerado desarrollo de las diferentes aplicaciones y servicios que estas redes pueden ofrecer. Es así como en un comienzo este tipo de redes fueron utilizadas para monitorear la vida animal, para después entrar a llevar a cabo tareas como el monitoreo de factores climáticos, automatización de viviendas, monitoreo de cultivos, monitoreo y control en procesos industriales, en operaciones metropolitanas como el control de trafico y de peajes, monitoreo y control al interior de edificaciones entre otras. Toda esta gama de aplicaciones han hecho que el desarrollo de estos dispositivos tenga un notable avance tanto en el poder de procesamiento, reducción del tamaño, larga vida de la batería y algoritmos más robustos que le permiten realizar múltiples tareas; con lo cual se han vuelto más atractivos para el uso en los diferentes sectores de la sociedad y de la industria, ya que se convirtieron en dispositivos económicos, de fácil operación y desarrollados a la medida de las necesidades de los usuarios. Estas características han hecho favorable que este tipo de redes sean atractivas para el desarrollo de sistemas de monitoreo de estructuras civiles dada la naturaleza y condiciones bajo las cuales este tipo de sistemas deben operar y entregar la información para su posterior análisis y procesamiento. Es así como estos sistemas proveen información confiable a los encargados del mantenimiento y preservación de este tipo de estructuras para el bienestar de la sociedad en general o de un interés en particular. Aunque para llevar el desarrollo y puesta en marcha de este tipo de sistemas de monitoreo se deben evaluar ciertos aspectos operacionales que le permitirán al sistema poder conocer sus limitaciones y así le brindarán la posibilidad de extender su capacidad para detectar cualquier tipo de situación que pueda conducir a algún tipo de daño sobre la estructura que sea monitoreada. Algunos tipos de estructuras en las cuales se pueden implantar estos sistemas de monitoreo son los puentes vehiculares, edificaciones, túneles, entre otras; las cuales pueden obedecer a un interés general o particular. Los sistemas de monitoreo de estructuras civiles, que utilizan redes inalámbricas de sensores, son apropiados para cierto tipo de protocolos de enrutamiento los cuales se amoldan a este tipo de sistemas teniendo en cuenta ciertas características específicas; en donde las estructuras cuentan con unos parámetros bien definidos que son susceptibles de ser monitoreados, además de unas. 1.

(11) condiciones ambientales, de acceso y de espacio que los hacen especiales para cierto tipo de configuraciones, caracterizando así el tipo de protocolos más apropiados para este tipo de redes. En este sentido se van a examinar las posibles configuraciones para las redes inalámbricas de sensores en las cuales su desempeño, sea aceptable para este tipo de aplicaciones ofreciendo una buena calidad en el enrutamiento de la información recolectada por los sensores hacia una estación central para su posterior análisis. Se llevará a cabo una revisión de los trabajos previos que sobre la materia se han venido desarrollando hasta el momento, los cuales dan buena cuenta de las diferentes experiencias con respecto a este tipo de aplicaciones, y con base en estás poder identificar los elementos a tener en cuenta para seleccionar los protocolos que más se ajusten. Además se realizarán ensayos sobre estructuras de prueba para verificar la funcionalidad de este tipo de redes. Después de llevar a cabo este examen y hacer una selección de los protocolos de enrutamiento más apropiados para este tipo de aplicaciones; se realizan una serie de simulaciones que buscan comparar y medir el desempeño de los protocolos, utilizando para esto diferentes métricas acordes con las características propias para este tipo de aplicaciones con lo cual se tendrán instrumentos para seleccionar la mejor alternativa.. 1.1. SISTEMAS DE MONITOREO DE ESTRUCTURAS CIVILES. Los sistemas de monitoreo de estructuras civiles (SHM Structural Health Monitoring) tienen como propósito detectar daños en las estructuras. Estos sistemas tienen múltiples usos y están diseñados para identificar estos daños con o sin intervención de los usuarios. Como un primer paso para el desarrollo de un sistema de monitoreo de estructuras es necesario hacer una evaluación operacional. Esta parte del proceso trata de responder cuatro preguntas con respecto a la implementación del sistema como tal: • •. ¿Cuáles son las justificaciones de seguridad y/o económicas para monitorear una estructura? ¿Cómo esta definido el daño para la estructura que esta siendo monitoreada?. 2.

(12) • •. ¿Cuáles son las condiciones operacionales y ambientales bajo las que operara el sistema de interés? ¿Cuáles son las limitaciones en la adquisición de datos en el ambiente operacional?. La evaluación operacional define y extiende las posibilidades de cuantificar el daño que va a ser detectado. También define los beneficios que se van a obtener con el desarrollo de este tipo de sistemas. Este proceso empieza limitando lo que va a ser monitoreado y como se va a realizar para adaptar el sistema a estos aspectos y daños característicos que el sistema va a detectar más adelante [13]. Los sistemas de monitoreo tienen una ventaja sobre los métodos de inspección tradicionales; estos ofrecen en tiempo real, análisis continuo y detección de daños sin dañar la estructura. Estos sistemas están diseñados para transportar la información permitiéndole a los usuarios tomar acciones ante la presencia de daños, por lo cual un sistema efectivo debe ser capaz de: • • • •. Detectar daños. Localizar el daño con exactitud. Identificar la magnitud del daño. Producir un ciclo de vida adecuado para la estructura.. La localización precisa de los daños requiere que los sensores estén colocados apropiadamente. Identificar la magnitud de los daños es difícil si la ubicación de los sensores es inconsistente con lo que se desea monitorear. De otro lado dentro de la implementación de estos sistemas se hace una recolección continua de datos que genera información importante sobre la edad de una estructura y su estado de deterioro; lo cual es relevante para determinar el tiempo de vida de la estructura. Además, la cantidad de lugares que son sensados es una consideración importante en el montaje práctico de esquemas de localización de daños. Una estructura puede tener cientos de sensores que registren aceleraciones en cada parte de la estructura u otra forma es dividir la estructura en secciones y sensar cada sección para detectar daños en secciones de la estructura. La ubicación y eficiencia de los esquemas de localización de daños depende de la densidad y ubicación de los sensores. Un completo desarrollo de este tipo de sistemas de monitoreo tiene un gran impacto en el aspecto económico y de seguridad en lo referente a la integridad de. 3.

(13) la infraestructura civil de los países en desarrollo [59]. Las fallas tempranas en las estructuras pueden no ser percibidas y causar situaciones peligrosas, que podrían ser remediadas con la notificación inmediata de los sistemas de monitoreo de estructuras civiles. De otro lado algunas estructuras son reparadas o reemplazadas ya que se han desempeñado mejor y durante un tiempo mayor al estimado para su vida útil. En esta situación los ciclos de vida producto de la información de este tipo de sistemas de monitoreo son invaluables por los ahorros en costos al determinar si se mantiene una estructura en vez de repararla o reemplazarla [45]. Con el desarrollo de la ciencia y la tecnología, nuestra vida diaria se hace más y más dependiente de la infraestructura civil, la cual incluye puentes, edificios, tuberías, edificaciones de servicio público, etc. Mucha de esta infraestructura existente ha estado en servicio por años y continúa siendo usada, a pesar de su envejecimiento y el daño acumulado asociado. El monitoreo de las condiciones de este tipo de estructuras para darles el respectivo mantenimiento se ha convertido en algo de suma importancia para la sociedad. Más aun, la evaluación de las condiciones de estructuras criticas y de infraestructura civil es extremadamente importante después de un desastre natural, como un terremoto u otros desastres causados como ataques terroristas. Por ejemplo las instalaciones que atienden emergencias deben ser evaluadas y reparadas inmediatamente para minimizar el impacto de un desastre y facilitar la atención de los afectados. Los sistemas de monitoreo de estructuras (SHM) es un campo que emerge en la ingeniería civil, ofreciendo el potencial de realizar un monitoreo continuo o periódico de la seguridad e integridad de la infraestructura civil [14].. 1.1.1. Sensores inteligentes. Otra área de investigación pertinente a los sistemas SHM que ha tenido especial atención es la tecnología de sensores inteligentes. Esta tecnología podría ser una forma de cumplir con la visión de los sistemas SHM para estructuras de ingeniería civil usando una red de sensores densamente distribuida. Para entender el significado de un sensor inteligente, primero se considerará la definición de un sensor estándar. En general un sensor es un dispositivo que esta diseñado para adquirir información de un objeto y transformarla en una señal eléctrica. Como se muestra en la Figura 1, un sensor integrado tradicional puede ser dividido en tres partes: (1) un elemento de sensado (resistor, capacitor, transistor, material piezo-electrico, fotodiodo, etc.), (2) acondicionamiento de la. 4.

(14) señal y procesamiento (amplificación, linearización, compensación y filtrado) y (3) una interfase del sensor (cables, conectores e interfaces para comunicarse con otros componentes electrónicos) [25].. Figura 1. Un sensor tradicional integrado.. Figura 2. Sensor inteligente.. Como lo muestra la Figura 2, la principal diferencia entre un sensor inteligente y un sensor integrado estándar es su capacidad de inteligencia, un microprocesador integrado. El microprocesador se usa para procesamiento digital, análogo a digital o conversión de frecuencias a códigos, cálculos y funciones de interfase; las cuales pueden facilitar funciones de autodiagnóstico, auto-identificación o autoadaptación (toma de decisiones) [25]. Este puede decidir cuando descartar/almacenar datos y controlar cuando y cuanto tiempo permanecer activo para minimizar el tiempo de consumo de energía. A la par de esto el tamaño de los sensores inteligentes se ha reducido con el tiempo. El uso de sistemas microelectromecánicos (Micro-Electro-Mechanical Systems MEMS) ha hecho posible realizar un sensado en general y también un sensado inteligente para un área en particular. Los dispositivos MEMS son manufacturados utilizando una tecnología de integración a gran escala (VLSI) y pueden contener ambas funciones mecánicas y eléctricas. Los MEMS pueden ser utilizados en un ambiente para sensar y actuar. El sensar requiere que un fenómeno físico o químico sea convertido en una señal eléctrica la cual se pueda mostrar, procesar, transmitir y/o almacenar. El actuar reversa este flujo y convierte una señal eléctrica en un cambio físico o químico en el ambiente. La principal ventaja a través de esta tecnología y el diseño de sus aplicaciones es la miniaturización. Los dispositivos MEMS se pueden encontrar en un amplio rango de aplicaciones desde acelerómetros para el desarrollo de bolsas inflables hasta detectores electrónicos de partículas que ayudan a la inspección química, biológica y nuclear.. 5.

(15) El costo de los sensores inteligentes también ha disminuido. La producción en masa de MEMS y microprocesadores para una amplia variedad de aplicaciones ha reducido sus costos, además del incremento de su popularidad. La mejora en la tecnología para los otros componentes como la memoria, el radio transmisor y las baterías; ha permitido una mayor capacidad y dispositivos de larga duración, reduciendo los costos de mantenimiento. Los sensores inteligentes utilizan transmisión de datos vía inalámbrica, por lo cual existen varios protocolos para realizar esta tarea. Muchos de estos sensores han sido creados para usar un bajo poder de radiación y así evitar los elevados costos asociados con las certificaciones de las diferentes entidades gubernamentales. Así, un sensor inteligente se define por cuatro características principales: (1) una unidad central de proceso (CPU) integrada, (2) tamaño reducido, (3) comunicación inalámbrica y (4) ser de bajo costo.. 1.1.2. Sensores inteligentes para monitoreo de estructuras civiles. La comunicación inalámbrica global es importante para facilitar un sistema de bajo costo y densamente distribuido. Los enlaces de radio frecuencia (RF) han sido utilizados en sistemas embebidos para numerosas aplicaciones, incluyendo pero no limitándose a teléfonos celulares, automatización de viviendas, reproductores de audio digitales e Internet inalámbrico. El reciente desarrollo de hardware barato ha hecho posible el reemplazo de los cables en los sistemas basados en vibraciones por enlaces vía radio. Algunos de los primeros esfuerzos en desarrollar sensores inteligentes para aplicaciones de estructuras de ingeniería civil fueron presentados por [24], [63], [64], y [65]. Estas investigaciones buscaban desarrollar un sistema de monitoreo en tiempo real de diagnostico de daños y monitoreo de estructuras, que evaluara ambos durante un periodo extremo y durante un largo periodo el estado de una estructura. El hardware fue diseñado para adquirir y administrar los datos, y el software para facilitar el diagnostico y detección de daños. Se propuso una red que era de fácil instalación, bajo costo por unidad, portátil y de amplia funcionalidad.. 6.

(16) La unidad del sensor consistía en un microprocesador, un radio MODEM, una unidad de almacenamiento de datos y baterías. Para prolongar la vida de la batería, la mayoría del tiempo la unidad se encontraba en modo de ahorro, periódicamente chequeaba sus interrupciones de hardware para determinar si existían eventos externos que requirieran atención. Basado en el trabajo de [24], [37] realizó una prueba de concepto con un sensor inalámbrico que usaba componentes electrónicos estándar. Esta unidad consistía de un microcontrolador ATmel de 8 bits con una CPU de 4MHz que podía acomodar una amplia variedad de sensores análogos. La comunicación entre los sensores se hace vía secuencia de radio de espectro extendido. Algunas unidades utilizaban un acelerómetro ADXL210 haciendo uso del ciclo útil del modulador que provee una salida digital de 14 bits con un una señal digital anti-aliasing. En otras unidades, fueron usados acelerómetros planares de alto desempeño con un conversor análogo-digital (A/D) de 16 bits. El sistema entero podía ser puesto como una unidad sellada y robusta de 5” por 4”por 1” en la Figura 3. La unidad se validó a través de varios experimentos controlados en laboratorio.. Figura 3. Prototipo de sensor inteligente [37].. 1.2. REDES INALAMBRICAS DE SENSORES. Las redes inalámbricas de sensores (WSN Wireless Sensor Networks) son una colección de cientos o miles de nodos sensores comunicándose entre sí para llevar a cabo una tarea asignada. Un nodo sensor es un dispositivo que convierte un atributo susceptible de ser medido (como temperatura o vibraciones) en una forma que la entienden los usuarios. Cada uno de estos dispositivos puede incluir. 7.

(17) un módulo sensor, un módulo de comunicación, memoria y una fuente de alimentación para el sensor. El avance en la tecnología ha hecho posible que los sensores tengan un menor tamaño, estén equipados con dispositivos que consumen poca energía y con poder de cómputo programable; lo cual les da la posibilidad de sensar múltiples parámetros y la capacidad de comunicación inalámbrica. El bajo costo de estos ha hecho posible tener redes de cientos y miles de estos sensores inalámbricos, mejorando la confiabilidad, la exactitud de los datos en la zona de cobertura y ser de fácil instalación. Dentro de las ventajas de este tipo de redes están: Fácil Instalación: Estos sensores inalámbricos pueden ser instalados en el sitio de interés sin una organización previa, así reduce los costos de instalación e incrementa la flexibilidad para su disposición en el área deseada. Amplio Rango: Un gran sensor cableado puede ser sustituido por muchos pequeños sensores inalámbricos por el mismo costo. Un sensor cableado puede dedicarse a un área mientras que una red inalámbrica de sensores puede ser distribuida en un área más amplia. Tolerancia a Fallas: Las redes inalámbricas de sensores deben poseer la capacidad de tolerancia a fallas. Con los sensores cableados si un nodo falla el área queda sin ningún tipo de monitoreo y este debe ser reemplazado. Mientras que con los sensores inalámbricos, la falla de un nodo no afecta la operación de la red considerablemente ya que existen otros nodos que están recolectando datos similares. Movilidad: Los sensores inalámbricos están equipados con baterías lo cual les permite ser móviles. Así, sí una región no es monitoreada, se pueden trasladar los nodos hacia el área de interés. Pero tiene algunas limitaciones inherentes al medio inalámbrico como un ancho de banda limitado, ser propenso a errores de transmisión, la necesidad de canales libres de colisión, etc. Los nodos inalámbricos tienen bastante movilidad y no están conectados en ninguna forma a una fuente de energía ya que la toman la energía de su propia batería. Esto limita la energía disponible para el nodo. Además, si los sensores son ubicados en lugares de difícil acceso para su reemplazo o el de sus baterías entonces es deseable incrementar la longevidad de la red y preferiblemente que todos los nodos cesen su actividad al mismo tiempo para que así todos los nodos puedan. 8.

(18) ser reemplazados simultáneamente. Por lo tanto los protocolos diseñados para estas redes deben distribuir estratégicamente la disipación de energía lo cual incrementa el promedio de vida útil de todo el sistema. Adicionalmente los ambientes en los cuales estos nodos operan son muy dinámicos presentando cambios rápidos en los parámetros físicos que registran. Algunos parámetros que pueden cambiar dinámicamente dependen de la aplicación y pueden ser definidos como la disponibilidad de energía, la posición, la disposición y el tipo de tareas. Entonces, las redes inalámbricas de sensores necesitan protocolos que sean específicos para cada aplicación, tener la capacidad de agregación de datos y minimizar el consumo de energía. Además una red inalámbrica de sensores debería contar con estas características adicionales: Direccionamiento Basado en Atributos: Esta compuesto por una serie de parejas atributo-valor las cuales especifican ciertos parámetros físicos que son sensados. Conocimiento de Ubicación: Este es otro aspecto importante ya que la recolección de datos esta basada en la localización y es deseable que los nodos conozcan su posición donde sea que la necesiten. En algunos casos es importante que los sensores puedan reaccionar rápidamente a cambios drásticos en el ambiente con lo cual el usuario final es consciente de cambios drásticos y la ubicación con una mínima demora. Manejo de Solicitudes: Los usuarios usan dispositivos inalámbricos de mano los cuales podrían solicitar datos provenientes de la red inalámbrica de sensores [43].. 9.

(19) 2. OBJETIVOS. 2.1. GENERAL. Determinar la validez de las redes inalámbricas de sensores como soporte para los sistemas de monitoreo de estructuras civiles y determinar las características necesarias para su mejor comportamiento en este tipo de aplicaciones.. 2.2. ESPECIFICOS. •. Validar las soluciones del estado del arte por medio del desarrollo y puesta en marcha de una aplicación tipo SHM, realizando ensayos con el kit de WSN adquirido sobre una estructura de prueba y en una mesa vibratoria.. •. Desarrollar una aplicación de prueba tipo SHM utilizando el kit de WSN adquirido.. •. Determinar cuáles son las condiciones que deben reunir las redes inalámbricas de sensores para poder implementar este tipo de aplicaciones entregando datos de buena calidad.. •. Determinar cuál es el protocolo de enrutamiento óptimo para ser utilizado en los sistemas de monitoreo de estructuras civiles de acuerdo a unas características específicas para estas estructuras.. •. Desarrollar simulaciones de los protocolos seleccionados para determinar su desempeño a gran y pequeña escala para este tipo de aplicaciones.. 10.

(20) 3. ESTADO DEL ARTE Los sistemas de monitoreo de estructuras civiles que utilizan redes inalámbricas de sensores, están siendo objeto de estudio por parte de diferentes instituciones con lo cual se han generado una serie de implementaciones de este tipo de sistemas para que lleven a cabo esta labor y dentro de las cuales se han podido hacer ciertas clasificaciones acordes a la forma en la cual se despliega el sistema. Además de esto se pretende poder realizar una validación en la cual se pueda mostrar las ventajas y versatilidad del uso de las redes inalámbricas de sensores, por medio del kit adquirido, para este tipo de aplicaciones dentro del contexto del laboratorio de ingeniería civil de la Universidad de Los Andes.. 3.1. SISTEMA DE MONITOREO DE ESTRUCTURAS CIVILES Y LAS REDES INALAMBRICAS DE SENSORES. La redes inalámbricas de sensores se adaptan perfectamente para el monitoreo estructural ya que ofrecen mucha flexibilidad en el posicionamiento de los sensores. También ofrecen la capacidad de múltiples saltos, ya que en grandes estructuras que tienen ambientes inalámbricos, donde la conectividad puede variar con el tiempo al igual que el lugar de ubicación del sensor, haciendo que esté no se encuentre a un salto de la estación base. Las técnicas de detección y localización de daños estiman las características de la estructura como un todo y son centralizadas. Esto hace que el SHM no sea susceptible para llevar a cabo un uso eficiente de energía en WSN de larga vida. A pesar de esto una WSN para un SHM puede ser implementada ya que la respuesta de la estructura no necesita ser monitoreada continuamente, el ciclo útil de recolección de datos puede ser ajustado para alcanzar el tiempo de vida deseado. Para hacer esto existen dos técnicas. Triggered: En la implementación triggered los sensores son activados por un periodo de tiempo, por una vibración ambiental significativa o por acción del operador; para colectar la respuesta estructural y transmitir los datos crudos del sensor a un nodo central. Se tiene entonces dos instancias de este modelo, una. 11.

(21) para las técnicas de SHM que depende de las excitaciones forzadas y otra que depende de los ambientes. Triggered con cómputo local: Esta segunda implementación del modelo permite un mayor ahorro de energía. Es idéntica que Triggered pero los nodos procesan los datos crudos del sensor antes de enviarlos al nodo central. Esta corresponde a una implementación descentralizada de una técnica para SHM [7]. Estos sistemas de monitoreo de estructuras civiles han dado lugar a tres tipos de condiciones para las redes de sensores que están siendo actualmente utilizadas por estos o que son el foco actual de investigación en este campo. Arreglos de sensores conectados directamente a un hardware central de procesamiento. La Figura 4 muestra una red de sensores conectados directamente al hardware central de procesamiento. Este sistema es el más utilizado para estudios de monitoreo de estructuras civiles. La ventaja de este sistema es la gran variedad comercial disponible fuera de la plataforma de sistemas que pueden utilizarse para este tipo de monitoreo y la gran variedad de transductores que normalmente puede ser interconectados con un sistema de este tipo. Para aplicaciones SHM, estos sistemas se han utilizado de forma activa y pasiva. Las limitaciones que tienen estos sistemas es que son difíciles de desplegar de tal forma que se puedan readaptar, ya que por lo general requieren de alimentación AC, la cual no siempre está disponible. Estos sistemas tienen un punto sensible de fallo como lo es el cable. Además, el despliegue de un sistema de este tipo puede ser un potencial reto, ya que la mayor parte del tiempo de instalación se utiliza en la instalación del sistema cableado y aun más para estructuras de mayor escala como en grandes puentes. La experiencia en campo con el despliegue de estos sistemas ha demostrado que el mantenimiento de los cables puede ser muy costoso por la degradación debida al medio ambiente en general o a daños causados por roedores o vándalos.. 12.

(22) Figura 4. Red de Sensores Alambrada.. Procesamiento Descentralizado con Conexiones por Saltos. La integración de tecnologías de comunicación inalámbrica dentro de los métodos de SHM han sido ampliamente investigadas, con el fin de superar las limitaciones de las redes de monitoreo cableadas. La comunicación inalámbrica puede resolver el problema del cableado de los sistemas tradicionales de monitoreo y reducir significativamente el costo de su mantenimiento. El esquema de un sistema de monitoreo inalámbrico descentralizado, se muestra en la Figura 5. Los sistemas de SHM plantean varias cuestiones con respecto al diseño y despliegue del sistema descentralizado de redes inalámbricas de sensores. Además dado que los sensores inalámbricos pueden servir tanto de actuadores como de sensores, el tiempo de sincronización entre múltiples unidades de sensores/actuadores se vuelve una tarea difícil; debido a la programación del procesador, el uso de múltiples canales con un sensor lo cual reduce la tasa de muestreo, que en la práctica, no es favorable para las técnicas de sensado activo que utilizan altos rangos de frecuencias de muestreo [61].. Figura 5. Sistema Inalámbrico SHM Descentralizado con Conexión por Saltos.. 13.

(23) Procesamiento Descentralizado con conexión Híbrida. Una red de conexión híbrida combina las dos redes anteriores, como se ilustra en la Figura 6. En el primer nivel, varios sensores están conectados a un relee en hardware, que se muestra en la Figura 6 como un caja negra. Este dispositivo va a administrar la red de sensores distribuida, controla los modos de detección y actuación, y múltiplexa las señales medidas. El dispositivo también se puede expandir por medio de una conexión en cadena. En el siguiente nivel, múltiples piezas de este hardware pueden ser enlazadas a un control de datos descentralizado y a una estación de procesamiento. Esta estación de control está equipada con tarjetas de adquisición de datos, procesadores y telemetría inalámbrica, la cual es similar a la arquitectura actual de sensores inalámbricos descentralizados. Este dispositivo desempeña funciones de un relee basado en un hardware de control, adquisición de datos, cómputos locales y la transmisión de los resultados necesarios de la computación hacia un sistema central. En el nivel más alto, múltiples estaciones de procesamiento de datos están enlazadas a una estación central de monitoreo que envía un informe de daños al usuario. Esta red de sensores puede consultar de manera eficiente un gran número de sensores distribuidos y sensores activos mientras mantiene una excelente relación sensor-costo, porque solamente un pequeño número de adquisición de datos y unidades de telemetría son necesarias [13].. Figura 6. Sistema Inalámbrico SHM Descentralizado con Conexión Hibrida.. 14.

(24) 3.2. IMPLEMENTACIÓN DE UNA SOLUCIÓN SHM CON WSN EN CONDICIONES DE LABORATORIO AL INTERIOR DE LA UNIVERSIDAD. Los sistemas de monitoreo de estructuras civiles actualmente cuentan con el desarrollo de las redes inalámbricas de sensores que le han dado un nuevo enfoque a la forma tradicional en la cual se realizaba la recolección de datos en campo sobre la estructura misma, dándole mayor versatilidad a la forma y modos de llevar a cabo esta tarea. Lo cual ha permitido que con un mayor poder computacional y movilidad se puedan realizar análisis más detallados de alguna estructura de interés; de allí el interés en poder demostrar mediante una aplicación de prueba del tipo SHM la funcionalidad, que este tipo de desarrollos pueden darle al usuario en la forma de recolectar datos, y con esto poder mostrar las ventajas de estas nuevas tecnologías frente a los métodos tradicionales de monitoreo y recolección de datos.. 3.2.1. Sistema de desarrollo para redes inalámbricas de sensores. Para desarrollar los ensayos con la estructura de prueba y la mesa vibratoria se utilizó un Kit de desarrollo para redes inalámbricas de sensores, fabricado por CrossBow. Dentro de este se encuentran los siguientes elementos utilizados para el desarrollo, prueba y toma de datos, de la aplicación de prueba tipo SHM cuyo objetivo es mostrar la funcionalidad de este tipo de equipos dentro de un ambiente de laboratorio; en especial para un laboratorio de ingeniería civil. Como parte de este Kit se pueden encontrar las siguientes características que lo hacen propicio para su uso en el desarrollo de diferentes tipos de aplicaciones. Proveé una plataforma para el desarrollo y evaluación de aplicaciones de redes inalámbricas de sensores en las bandas de 2.4GHz ó 868MHz / 916MHz ISM. La aplicación MoteView para el PC provee una interfaz grafica intuitiva para administrar y monitorear la red de sensores, incluyendo el despliegue de la topología, tablas y gráficos de las lecturas del sensor al igual que la configuración de los sensores. Para el desarrollo de las aplicaciones se utiliza la aplicación MoteWorks, que esta optimizada para soportar: •. Dispositivos sensores: Soporta un sistema operativo, los estándares (802.15.4), programación sobre el aire y herramientas de monitoreo de malla.. 15.

(25) • •. Gateways: el Middleware para conectar las redes inalámbricas de sensores a sistemas de administración de información. Interfaz de Usuario: una aplicación cliente para el análisis remoto, monitoreo, administración y configuración de la red de sensores.. Figura 7. Arquitectura de red para kit de desarrollo de redes inalámbricas de sensores.. El sensor MTS 400 Enviromental Sensor Board ofrece cinco parámetros básicos de sensado ambiental. Esta tarjeta sensor provee un uso eficiente de la energía para garantizar una larga vida a la batería y un desempeño en campo de bajo mantenimiento. Es una tarjeta sensor versátil para una amplia variedad de aplicaciones como en la agricultura, la industria, laboratorio entre otras. Posee los siguientes módulos: un acelerómetro de dos ejes, sensor de presión barométrica, sensor de luz ambiental, sensor de humedad relativa y temperatura. El módulo que contiene el microcontrolador IRIS XM2110, que utiliza la banda de 2400MHz a 2483.5MHz con un Atmel RF230, acorde al estándar IEEE 802.15.4 y un microcontrolador integrado Atmega1281. Cuenta con un conector de entrada y salida y una memoria flash serial.. Figura 8. IRIS XM2110 estándar a la izquierda, y diagrama de bloques a la derecha.. 16.

(26) El módulo de comunicación y programación del sensor es el MIB520 USB Interface Card, que provee conectividad vía USB al IRIS para que reciba la información y pueda ser programado y monitoreado por las aplicaciones antes mencionadas, también suple de energía a través del puerto USB.. Figura 9. Vista superior de MIB520.. 3.2.2. Entorno de desarrollo de software para redes inalámbricas de sensores. Existen diferentes plataformas que permiten trabajar con el lenguaje de programación que utilizan las redes inalámbricas de sensores. Para el desarrollo de la aplicación de prueba del kit de sensores se utilizó la plataforma que provee el fabricante, CrossBow, llamada MoteWorks que se ejecuta en ambientes Windows utilizando un emulador de la plataforma Unix como es Cygwin, con lo cual le permite al usuario interactuar con diferentes herramientas que provee el fabricante tanto para la configuración, administración y despliegue de datos. MoteWorks es una plataforma que permite la creación de aplicaciones finales de redes inalámbricas de sensores. Cuenta con un hardware procesador/radio optimizado, un software para redes mesh, un middleware para un servidor gateway, un cliente de monitoreo y herramientas de administración soportan la creación de soluciones abiertas, confiables y de fácil uso. Dentro de la visión general de MoteWorks, el desarrollo de redes inalámbricas de sensores esta compuesta de tres capas diferentes de software: •. La capa Mote, donde reside XMesh, este es el software que se ejecuta sobre la nube de sensores formando la red mesh. Este provee los algoritmos de red. 17.

(27) •. •. requeridos para una comunicación confiable que conecta todos los nodos de la nube mesh al servidor. La capa Servidor, siempre esta activa para facilitar el traslado y almacenamiento de los datos provenientes de la red inalámbrica de sensores y proveer el puente entre los Motes inalámbricos y los clientes de Internet. XServe y XOtap son aplicaciones de la capa Servidor que corren sobre el PC. La capa Cliente provee un software de visualización de usuario y una interfaz grafica para la administración de la red. El fabricante provee un software cliente libre llamado MoteView, pero XMesh puede ser una interfase como un software cliente igual.. El sistema operativo que utilizan los sensores inalámbricos es TinyOS, el cual es un sistema operativo de código abierto diseñado para redes inalámbricas de sensores embebidas. Se caracteriza por una arquitectura basada en componentes, lo cual le permite una rápida implementación mientras minimiza el tamaño de código requerido por las restricciones de memoria inherentes a este tipo de redes. Las librerías de componentes de TinyOS incluyen protocolos de red, servicios distribuidos, controladores para los sensores y herramientas de adquisición de datos; lo cual puede ser usado o refinado por una aplicación en particular. El modelo de ejecución en TinyOS es por medio del manejo de eventos permitiendo afinar la administración de la energía, lo cual facilita el hacer una programación de eventos flexible por la naturaleza no predictiva de las comunicaciones inalámbricas y las interfaces con el mundo físico. Los componentes utilizan tres conceptos computacionales: 1) comandos, 2) eventos y 3) tareas. Los comandos y eventos son mecanismos para la comunicación inter-componentes, mientras que las tareas son usadas para una concurrencia rápida intra-componentes. Un comando es una solicitud a un componente para realizar un servicio. Un evento puede ser una señal asíncrona, por ejemplo interrupciones de hardware o arribo de un mensaje. Los comandos y eventos no se bloquean. El sistema operativo TinyOS, las librerías y aplicaciones están escritos en nesC, un nuevo lenguaje estructurado basado en componentes. El lenguaje nesC esta principalmente pensado para sistemas embebidos como las redes inalámbricas de sensores. Este lenguaje tiene una sintaxis similar a C, pero soporta un modelo de concurrencia, así como mecanismos para estructuración, nombramiento y enlace de componentes de software juntos en un sistema de red embebido y robusto. La principal meta es permitirle al desarrollador construir componentes que puedan ser fácilmente compuestos dentro de sistemas concurrentes completos y realizar un chequeo extensivo en tiempo de compilación.. 18.

(28) TinyOS define unos conceptos importantes que son expresados en nesC. Aquí una definición de los mismos. Aplicación: una aplicación consiste de uno o más componentes, enlazados para formar un ejecutable en tiempo de ejecución. Componente: Los componentes son los bloques básicos para las aplicaciones de nesC. Hay dos tipos de componentes los módulos y las configuraciones. Un componente TinyOS puede proveer y usar interfaces. Módulo: Un componente que implementa una o más interfaces. Configuración: Un componente que une a otros componentes juntos, conectando las interfaces usadas por los componentes a las interfaces provistas por otros. La idea es que el desarrollador pueda construir una aplicación como un grupo de módulos, atándolos junto a otros módulos para proveer una configuración. Cada aplicación nesC esta descrita por una configuración de nivel superior que especifica los componentes en la aplicación y como estos son invocados por otros. Interfase: Una interfase es usada para proveer una definición abstracta de la interacción entre dos componentes. Este concepto es similar en Java en el cual una interfaz puede no contener código o enlaces. Esta simplemente declara un grupo de funciones de las interfases provistas que se deben implementar – comandos – y otros grupos de funciones requeridas que se deben implementar – eventos. En nesC las interfaces son bidireccionales. Para que un componente llame los comandos en una interfase este debe implementar los eventos de la interfase. Un componente simple puede requerir o proveer múltiples interfases y múltiples instancias de la misma interfase. Estas interfases son el único punto de acceso a los componentes.. 3.2.3. Red inalámbrica de sensores sobre una estructura de prueba. Una vez que se ha instalado la aplicación de prueba sobre los sensores inalámbricos y de ensamblar la tarjeta que contiene los diferentes sensores, entre. 19.

(29) estos el acelerómetro de dos ejes, y colocarle la alimentación a los mismos se colocan sobre la estructura de prueba. La estructura de prueba usada para mostrar la adquisición de datos de aceleración de los sensores y el envió de los mismos a la estación central, fue un ascensor de un nivel el cual tiene una unidad de control automática que sube y baja indefinidamente.. Figura 10. A la izquierda Estructura de prueba y a la derecha Unidad de Control Automática.. El ascensor de un nivel cuenta con un compartimiento de carga por un lado y en el lado posterior los contrapesos para que el motor ubicado en la parte superior pueda mover los dos elementos hacia arriba y abajo. Tiene seis guías en aluminio para sostener la estructura y guiar el movimiento del compartimiento de carga. Por otro lado la unidad de control automática response a la señal de un interruptor opto-electrónico para iniciar el ascenso del compartimiento de carga que se encuentra en la parte inferior; cuando el compartimiento llega a la parte superior de la estructura obtura un switch de tres estados que le envía una señal a un circuito que desempeña la función de puente H para hacer la inversión del sentido de giro del motor ubicado en el compartimiento de maquinas, parte superior, lo cual hace que al cambiar el sentido de giro el compartimiento de carga descienda. 20.

(30) gracias a la acción de los contrapesos ubicados en el cara posterior de la estructura. Una vez que se tienen estos elementos se procede a colocar los sensores en la estructura e iniciar la aplicación de monitoreo, MoteView, se observa con la aplicación que hay una fase en la que se da un intercambio de mensajes entre el servidor y los Motes por medio de la cual se identifica el tipo de tarjeta de sensores que esta utilizando el Mote, la compara contra los modelos que tiene almacenados en su base de datos propia y una vez identificada despliega los datos en la pantalla, permitiéndole al usuario observar en tiempo real los datos recibidos desde el Mote. También ofrece otras herramientas como presentación de datos históricos, gráficas de estadísticas, almacenamiento de datos en diferentes formatos de acuerdo a las necesidades del usuario y la configuración en vuelo de algunos parámetros del Mote. Cabe anotar que la estructura de prueba permite movilidad, con lo cual se hicieron pruebas en diferentes sitios para observar el comportamiento de los sensores y determinar si alguna condición externa podía afectar el envió de mensajes; a lo cual se encontró que en todas las pruebas no se presentaron pérdidas de datos. Además, la aplicación demostró su versatilidad para presentar al usuario final los datos de diferentes formas acorde a las necesidades de este.. Figura 11. Estructura de prueba y red de sensores inalámbricos.. 21.

(31) Figura 12. Interfaz de usuario y datos recolectados. Arriba topología de la red inalámbrica de sensores. Abajo lecturas de los datos obtenidos por los nodos sensores.. 3.2.4. Red inalámbrica de sensores sobre una mesa vibratoria. La siguiente prueba realizada fue sobre la mesa vibratoria ubicada en el Laboratorio de Modelos Estructurales del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental de la Universidad de Los Andes. Se seleccionó este equipo debido a que se desea probar como este tipo de tecnologías pueden ser utilizadas con éxito al interior de los diferentes laboratorios que sean susceptibles de necesitarlas. Para este caso en específico, se desea mostrar que este tipo de sensores provee una forma rápida de despliegue para la adquisición de datos en comparación a los. 22.

(32) tradicionales sensores cableados que son utilizados. También se pretende, tal y como lo han experimentado otras instituciones educativas en el exterior, crear una interacción entre diferentes disciplinas para lograr desarrollar entornos en los cuales cada una aporte elementos propios de sí para lograr el desarrollo de sistemas integrales que satisfagan ciertas necesidades logrando el aprovechamiento de nuevas tecnologías. La mesa vibratoria utilizada tiene un movimiento en un sentido y utiliza actuador de hidráulico. Este tiene unas dimensiones de 1m por 1m y permite trabajar frecuencias de hasta 10Hz. Utiliza un sistema de control digital que esta conectado por medio de una unidad de adquisición de datos (DAQ) a un PC desde le cual se generan los patrones de movimiento de la mesa y también tiene las entradas de los sensores que registran la aceleración de las estructuras montadas sobre la mesa. El software de la mesa utiliza una interfaz tipo Windows para configurar y controlar la mesa. Entrega los datos de aceleración de los puertos de entrada en formato de texto plano pero esta limitado a una cantidad máxima de canales de entrada de datos. Por otro lado la mesa utiliza un suministro de alimentación hidráulica que le permite al actuador generar el movimiento programado desde el software, lo cual implica que el actuador debe tener sensores de retroalimentación para generar un lazo cerrado de control sobre la mesa. La mesa como tal esta montada sobre dos rieles que guían el movimiento en un sentido de la misma, además tiene en su superficie unas ranuras para sujetar las diferentes estructuras que se deseen probar sobre esta. Durante la realización de la prueba de la red inalámbrica de sensores sobre la mesa vibratoria se contó con otros sensores de características similares que sirvieron de referencia para observar el comportamiento de la red. Para esto se cuenta con una serie de datos de los sensores referencia donde se puede apreciar en la Figura 13 la función de rampa que manejan estos sensores; la cual fue obtenida a través de los datos arrojados por la mesa vibratoria y en la que se puede observar que están alrededor de cero. Mientras que para los sensores el punto de referencia se encuentra alrededor de 2500 y 3000 mm/s2 (aceleración) y por medio de esta se aprecian los valores de disparo para sensar en los cuales están programados, Figura 14. Para el caso de los sensores inalámbricos se puede apreciar en la Figura 15 que se encuentran en el primer nivel del valor de disparo con respecto a los sensores de referencia, alrededor del valor de 3000 mm/s2. Cabe anotar que los sensores de referencia están directamente cableados al PC que almacena los datos. También se puede apreciar algunos valores que se mantienen haciendo una función de rampa, lo cual indica que se debe mejorar la tasa de envío de datos para que no exista pérdida de información y se obtengan datos de forma periódica.. 23.

(33) 0,11 0,1 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0 -0,01 -0,02 -0,03 -0,04 -0,05 -0,06 -0,07 -0,08 -0,09 -0,1 -0,11 0. 5. 10. 15. 20. 25. 30. Figura 13. Función de rampa para sensores de referencia utilizando mesa vibratoria.. 2800. 2750. 2700. 2650. 2600. 2550. 2500. 2450. 2400 1. 165. 329. 493. 657. 821. 985. 1149 1313 1477 1641. Figura 14. Función de rampa para un sensor de referencia.. 24.

(34) 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 1. 14 27 40 53 66 79 92 105 118 131 144 157 170 183 196 209 222 235 248 261. Figura 15. Función de rampa para sensores inalámbricos.. De acuerdo a los datos de la Figura 15 se aprecia que algunos datos mantienen su valor por algunos intervalos de tiempo, mientras que si se aprecia la Figura 13 y la Figura 14 se presenta un comportamiento periódico, por lo tanto se deben hacer ajustes para mejorar la tasa de envío de datos y así mejorar la resolución total de la información obtenida a través de la red inalámbrica de sensores. Para hacer esto se debe modificar, en la aplicación de prueba desarrollada, el componente que se encarga de armar el paquete de datos y de enviarlo, para que lo haga con un intervalo menor de tiempo entre paquete y paquete de datos. Es de anotar que el despliegue de los sensores inalámbricos sobre la mesa vibratoria es más rápido en comparación al montaje de los sensores de referencia; esto debido a su tamaño y forma de sujeción a la mesa; la cual fue desarrollada exclusivamente para este tipo de anclaje a la superficie de la mesa pensando siempre en que los sensores inalámbricos durante las pruebas se mantengan firmes y seguros; para que no representen una fuente de pérdida o alteración de la información de aceleración que es sensada. Bajo las condiciones del laboratorio se puede apreciar como los sensores inalámbricos representan una alternativa para la toma de datos. La red inalámbrica de sensores ofrece un despliegue fácil y rápido sobre la estructura de interés en comparación con los sensores cableados. Esto debido a la comunicación inalámbrica la cual hace que no sea necesario definir toda una infraestructura cableada de comunicación para los sensores; las técnicas de conservación de energía empleadas por lo sensores inalámbricos hacen que puedan durar meses con un par de pilas AA sin necesidad de tener alimentación eléctrica de una toma. 25.

(35) corriente. También permite un monitoreo detallado sobre un área de interés; esto como consecuencia de su fácil despliegue y del bajo costo de los dispositivos en comparación con los sensores cableados tradicionales. El bajo costo de los dispositivos es una consecuencia de la producción en masa, que hace que los costos de producción disminuyan; esto en razón a que los componentes utilizados en la fabricación de los sensores inalámbricos se han popularizado en un sin número de aplicaciones con lo cual su demanda se ha disparado y sus costos han disminuido. En comparación al sistema tradicional de monitoreo de estructuras que utiliza cable coaxial de grandes longitudes los cuales se encuentran dirigidos hacia estaciones centrales, las cuales tienen un número limitado de canales de entrada para monitoreo, además de los cuidados que se deben tener para el despliegue del cable lo cual representa una tarea costosa, complicada e intensiva. La utilización de redes inalámbricas de sensores presenta ciertas ventajas para el monitoreo de estructuras civiles que la hacen una buena alternativa, efectiva en el sentido de su fácil despliegue y adquisición de los datos hacia una estación central para su posterior análisis; eficiente en cuanto a la utilización de la energía para mantener una larga vida útil sin necesidad de intervención del usuario utilizando diversas técnicas y el bajo costo que representa en comparación con un sensor tradicional, ya que un sensor inalámbrico con una tarjeta de adquisición de datos para sensar hasta cinco parámetros se encuentra alrededor de los $400 dólares además de la posibilidad que representa poder hacerle extensiones utilizando otros sensores más especializados, si se desea, y las herramientas de software que le permiten hacer diferentes ajustes y configuraciones de acuerdo a las necesidades que se tengan para realizar un monitoreo en particular; frente a un sensor cableado con un costo de alrededor de $800 dólares, el cual sólo esta diseñado para medir un parámetro y que tiene un cable de una extensión limitada, lo cual representa un obstáculo para estructuras de gran tamaño, además del despliegue para su montaje, mantenimiento y alimentación. A continuación se presentan una serie de figuras en las cuales se puede observar los sensores de referencia cableados junto a los sensores inalámbricos sobre la mesa vibratoria, Figura 16 y Figura 17.. 26.

(36) Figura 16. Vista general de sensores de referencia cableados y sensores inalámbricos.. Figura 17. Detalle de montaje del sensor inalámbrico sobre la mesa vibratoria.. 27.

(37) Se puede observar en la parte central de la mesa vibratoria siete cajas metálicas en cuyo interior cada una contiene un sensor de aceleración similar al que utiliza la red inalámbrica de sensores con los tres nodos montados alrededor de la mesa. El tamaño de cada una de estas cajas es mucho mayor al de cada nodo; se puede apreciar dentro de una de estas cajas dos tarjetas electrónicas interconectadas y una caja negra en la parte superior, la cual es un MODEM, y en una de las caras laterales de la caja metálica se tienen dos conectores uno por medio del cual se le da alimentación y por el otro se envían los datos que adquiere el sensor. Con esta vista de los sensores y de la serie de componentes necesarios para enviar la información que sensan, se puede tener una comparación en cuanto al tamaño de nuestros dos tipos de sistemas SHM en el cual la red inalámbrica de sensores presenta una clara ventaja en la forma de despliegue, anclaje a la mesa y tamaño en comparación con el sistema cableado, lo cual se puede traducir en ahorros en tiempo y mantenimiento a la hora de implementar un sistema SHM con una mayor cantidad de nodos sensores y así tener, si se requiere, información detallada de una estructura en particular. De otra parte en la Figura 18 se observa el software cliente de visualización de la información obtenida por la red inalámbrica de sensores. Este aplicativo le permite al usuario tener una visión de los enlaces que utiliza cada nodo para que sus datos alcancen la estación base, esto de acuerdo al protocolo de enrutamiento que se utilice en la red. Con lo cual se puede tener información pormenorizada de cada nodo o información global de toda la red, donde se pueden observar los históricos de la información recolectada además, de ofrecer diferentes formas de visualización de los datos, como gráficas y estadísticas básicas. Por otra parte permite almacenar los datos en diferentes tipos de formatos para que los mismos puedan ser analizados por software especializados en estas aplicaciones, brindado una amplia gama de posibilidades durante la captura en tiempo real de la información; para que si algún error es detectado durante la captura de datos este pueda ser corregido insitu, dándole una mayor confiabilidad a la toma datos y con esto se mejora la calidad de la información final que permitirá hacer diagnósticos de las estructuras que estén siendo monitoreadas. Para realizar estas correcciones o ajustes, la plataforma de desarrollo del kit adquirido, permite hacer cambios en algunos parámetros de los nodos a través del envío de mensajes desde el software de visualización, así en tiempo real se hacen los cambios pertinentes sin necesidad de desmontar los sensores, sino por el contrario se hace sobre la estructura misma, para que los datos recolectados sean lo más confiables y precisos posibles.. 28.

(38) Figura 18. Visualización de datos sobre software cliente.. Pero, si lo que desea el usuario es que los datos pasen directamente a algún software especifico de análisis, esto podría ser posible gracias a que la plataforma de desarrollo del kit permite que los datos en bruto puedan ser trasformados y/o modificados según la necesidad, ya que cada paquete de datos que llega a la estación base se puede redireccionar a una consola de salida estándar, shell, y allí se puede ejecutar alguna aplicación desarrollada, por ejemplo en java, para que tome los datos y los pase directamente al software de interés. En la Figura 19 se tiene la señal generada por el software de control de la mesa vibratoria que guía su movimiento.. Figura 19. Detalle del software de control de la mesa vibratoria.. 29.