RED DE SENSORES INALÁMBRICA PARA MONITORIZACIÓN...

RED DE SENSORES INALÁMBRICOS PARA MONITORIZACIÓN ESTRUCTURAL DE EDIFICIOS

EDUARDO HIDALGO FORT

1

RED DE SENSORES INALÁMBRICA PARA MONITORIZACIÓN

ESTRUCTUAL DE EDIFICIOS

UNIVERSIDAD DE SEVILLA

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS DE SEVILLA

INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIÓN

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA

Autor: Eduardo Hidalgo Fort

Tutor: Fernando Muñoz Chavero



2



3

A mis padres, por enseñarme unos valores en la

vida y por darme la oportunidad de realizar mis

estudios.

A mis hermanos por estar siempre a mi lado

alentándome.

Gracias por todo.



4

ÍNDICE GENERAL ÍNDICE GENERAL ....................................................................................................... 4

ÍNDICE DE FIGURA ..................................................................................................... 6

ÍNDICE DE TABLA ...................................................................................................... 8

1 INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS ........................................................................ 10

1.1INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................. 10

1.2 OBJETIVOS ............................................................................................................................ 11

2 ESTADO DEL ARTE DE LAS TECNOLOGÍAS DE MONITORIZACIÓN DE

SALUD ESTRUCTURAL ............................................................................................ 14

2.1 TECNOLOGÍAS DE MONITORIZACIÓN ................................................................................ 14

2.1.1 Subsistemas de un sistema de monitorización de salud estructural ............................... 15

2.1.2 Plataformas existentes ................................................................................................... 18

2.1.3 Comparativa Bluetooth / ZigBee ..................................................................................... 30

2.1.4 Sistemas empotrados ..................................................................................................... 31

2.1.5 Determinación de cuatro niveles de sistemas de monitorización (de menor a mayor

complejidad) [4]: ................................................................................................................................ 32

2.1.6 Tipos de seguimiento ...................................................................................................... 32

2.1.7 Tipos de análisis. ............................................................................................................ 33

2.1.8 Estudio de las Tecnologías SHM a través de ejemplos representativos. ....................... 33

2.2 ALGORITMOS PARA LA IDENTIFICACIÓN DE RIESGOS EN ESTRUCTURAS ................. 39

3 VISIÓN GENERAL DEL ESTÁNDAR 802.15.4 ................................................... 43

3.1 TOPOLOGÍAS DE RED .......................................................................................................... 44

3.1.1 Formación de la estructura de la red en estrella ............................................................. 45

3.1.2 Formación de la estructura de red peer-to-peer ............................................................. 45

3.2 ARQUITECTURA .................................................................................................................... 46

3.2.1 Capa física ...................................................................................................................... 47

3.2.2 Capa MAC ...................................................................................................................... 47

3.3 VISTA GENERAL DEL FUNCIONAMIENTO .......................................................................... 47

3.3.1 Estructura Supertrama .................................................................................................... 47

3.3.2 Modelo de transmisión de datos ..................................................................................... 48

3.3.3 Sincronización ................................................................................................................ 51

3.3.4 Coordinación de transacción .......................................................................................... 52

4 MODELADO DE UNA ESTRUCTURA ................................................................ 55

4.1 MODELADO DE UNA ESTRUCTURA .................................................................................... 55

4.1.1 Métodos de cálculo simplificados para los casos más usuales de edificación................ 55

4.2 INSTALACIÓN EN EL MODELO A ESCALA .......................................................................... 60

4.2.1 Objetivo........................................................................................................................... 60



5

4.3 INSTALACIÓN EN EL EDIFICIO REAL .................................................................................. 61

4.3.1 Objetivo........................................................................................................................... 61

5 PROPUESTA DE ESPECIFICACIONES PARA UN SISTEMA SHM .................. 64

5.1 PROPUESTA DE ESPECIFICACIONES ................................................................................ 65

5.1.1 Obtención de las especificaciones .................................................................................. 65

5.1.2 Algunos diseños propuestos ........................................................................................... 72

5.2 PROPUESTA DE COMPONENTES HARDWARE ................................................................. 78

5.2.1 Acelerómetro .................................................................................................................. 78

5.2.2 Termómetro .................................................................................................................... 79

5.2.3 Anemómetro ................................................................................................................... 80

5.2.4 ADC ................................................................................................................................ 80

5.2.5 Microprocesador ............................................................................................................. 81

5.2.6 Transceptor inalámbrico ................................................................................................. 81

6 CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS DE INVESTIGACIÓN .......................... 85

6.1 CONCLUSIONES ................................................................................................................... 85

6.1.1 Análisis del trabajo realizado .......................................................................................... 85

6.1.2 Objetivos alcanzados ...................................................................................................... 85

6.2 LÍNEAS FUTURAS DE INVESTIGACIÓN............................................................................... 86

7 BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................... 89



6

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Acelerómetro MEMS ......................................................................................................... 16

Figura 2. Sistema cableado. Cañón de Alamosa .............................................................................. 17

Figura 3. Sistema Inalámbrico. Cañon Alamosa ............................................................................. 17

Figura 4. Izquierda: sistema inalámbrico. Derecha: sistema cableado ........................................ 34

Figura 5. Sistema instalado ................................................................................................................ 34

Figura 6. Entrada al sistema .............................................................................................................. 35

Figura 7. Respuesta de los acelerómetros ......................................................................................... 35

Figura 8. Espectro en frecuencia de la respuesta de la estructura ................................................ 35

Figura 9. Puente Cañón de Alamosa ................................................................................................. 36

Figura 10. Respuesta del sistema; cableado (arriba), inalámbrico (debajo) .................................. 36

Figura 11. Funciones de respuesta en frecuencia del sistema cableado e inalámbrico ................. 37

Figura 12. Segundo piso:(a) Sistema cableado y (b) sistema con MICA2. Base: (c) aceleración

por sistema cableado y (d) aceleración por sistema con MICA2 .................................. 37

Figura 13. Puente Geumdang (a y b) y configuraciones 1 (c) y 2 (d) .............................................. 38

Figura 14. Repuesta de los sensores en varias configuraciones ....................................................... 38

Figura 15. Nodo, antena y batería instalada en el centro de la construcción ................................. 39

Figura 16. Resultados obtenidos de Simulación mediante Elementos Finitos, Abdel Ghaffar

(otro método validado) y en este estudio .......................................................................... 39

Figura 17. Topologías de red 802.15.4 ................................................................................................ 44

Figura 18. Topología Cluster Tree ...................................................................................................... 46

Figura 19. Arquitectura de capas ........................................................................................................ 46

Figura 20. Estructura Supertrama ..................................................................................................... 48

Figura 21. Estructura Supertrama con CFP ..................................................................................... 48

Figura 22. Comunicación con un coordinador en una PAN con balizas ........................................ 49

Figura 23. Comunicación con un coordinador en una PAN sin balizas ......................................... 49

Figura 24. Transmisión desde un coordinador en una PAN con balizas ....................................... 50

Figura 25. Transmisión desde un coordinador en una PAN sin balizas ......................................... 50

Figura 26. Algoritmo AR – ARX ......................................................................................................... 57

Figura 27. Esquema de los diferentes tipos de estructuras .............................................................. 59

Figura 28. Esquema de construcciones con suelos rígidos ............................................................... 59

Figura 29. Esquema de bloques de un nodo ....................................................................................... 64

Figura 30. Acelerograma Cañón Alamosa ......................................................................................... 66

Figura 31. Respuesta en frecuencia Cañón Alamosa ........................................................................ 66



7

Figura 32. Prueba de laboratorio ........................................................................................................ 67

Figura 33. Modelo I ............................................................................................................................... 72

Figura 34. Modelo II ............................................................................................................................. 74

Figura 35. Modelo III ............................................................................................................................ 77



8

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Sistemas Académicos I ........................................................................................................ 19

Tabla 2. Sistemas Académicos II ....................................................................................................... 21

Tabla 3. Sistemas comerciales ........................................................................................................... 27

Tabla 4. Comparativa Bluetooth - ZigBee ........................................................................................ 30

Tabla 5. Capa física IEEE 802.15.4 ................................................................................................... 44

Tabla 6. ADS7821 ............................................................................................................................... 73

Tabla 7. ADS8341alimentado a 5V ................................................................................................... 75

Tabla 8. ADS8341 alimentado a 2.7V ............................................................................................... 75

Tabla 9. Transceptor MaxStream 9XCite ........................................................................................ 76

Tabla 10. ADXL335 ............................................................................................................................ 78

Tabla 11. TMP105 .............................................................................................................................. 79

Tabla 12. Ornytion 107 ...................................................................................................................... 80

Tabla 13. ADS1115 ............................................................................................................................. 80

Tabla 14. TI CC1000 RF .................................................................................................................... 82



9

CAPÍTULO 1

Introducción y Objetivos



10

1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS

1.1. INTRODUCCIÓN

Para comenzar este proyecto y situarnos en un marco de trabajo, lo primero que

hemos de hacer es explicar qué son las Tecnologías de Monitorización de la Salud

Estructural (SHM, Structural Health Monitoring en inglés). Es un sistema para analizar

el comportamiento de una estructura civil de una forma eficiente para evaluar su

rendimiento, posibles deterioros y para determinar la salud de la estructura.

SHM es una expresión que ha emergido desde hace menos de 20 años. El término

SHM empezó a ser utilizado a finales de la década de 1980, aunque en el campo de la

aviación puede considerarse a partir de 1950. Proviene del campo “smart structures”,

un campo que se refiere a la idea de hacer dispositivos sensores y actuadores e

integrarlos en una estructura.

El hecho de que haya multitud de investigadores estudiando las SHM y empresas

desarrollando sistemas y técnicas de monitorización han hecho posible que se esté

alcanzando el objetivo de sistemas de bajo coste. También se ha producido un

mejoramiento en cuanto a los materiales de fabricación y en la tecnología de

procesado, en el contexto de la composición de materiales, lo cual permite que los

dispositivos de sensado puedan ser integrados en las propias estructuras.

El gran progreso en el ámbito computacional ha permitido que las señales de sensado

puedan ser de mayor complejidad y que puedan ser tratadas cerca de la unidad de

sensado, incluso cerca de la fuente de daños (o parte de la estructura dañada),

mientras que el procesado de las señales que necesite mayor capacidad

computacional se puede realizar en otras localizaciones. Estas transmisiones de datos

la podremos realizar mediante sistemas cableados o inalámbricos, de los cuales

hablaremos detalladamente a lo largo de este documento.

Los sistemas de infraestructuras civiles son críticos para el crecimiento económico de

un país y la seguridad pública. Al igual que ocurre con los sistemas SHM, ocurre con

las infraestructuras, cada vez los códigos de diseño de éstas y la práctica son mejores

y cada vez se construyen infraestructuras mas robustas y por tanto, menos propensas

a fallos. Sin embargo existen condiciones extremas de trabajo, como terremotos,

sobrecargas, etc. que pueden hacer que la estructura tenga un comportamiento

anómalo.

En cuanto a los tipos de análisis, SHM se basa en análisis de tipo “non-destructive

testing”. Esto incluye principios basados en esfuerzo, tensión, deformación, vibración,

ondas acústicas, temperatura, etc. Estas señales deberán ser digitalizadas y

procesadas para poder ser analizadas, ya sea en el dominio temporal, como en el

domino de la frecuencia, para lo que podemos hacer uso de la FFT (Fast Fourier

Transform). Sin embargo, esto puede no ser suficiente para la interpretación de la

información y puede ser necesario tener una serie de referencias para poder

caracterizar las condiciones de estructura dañada.



11

En el área de la investigación y desarrollo, SHM está evolucionando en varias

disciplinas, desde los principios de deterioración de los materiales y la monitorización,

hasta el procesado de las señales, los sensores, simulaciones, etc.

Una vez que conocemos el marco de trabajo en el que nos movemos, lo siguiente es

justificar la utilización de estas tecnologías en el presente proyecto. Es bastante lógico

que, dado el nivel de tecnología existente, usemos ésta para conocer la salud de las

estructuras civiles así como, para la detección temprana de problemas en la

estructura, para prevenir fallos catastróficos, para minimizar las interrupciones del

servicio que proporcione la estructura en cuestión y para la reducción de los costes de

mantenimiento.

Como es de esperar, con los años se han ido desarrollando y mejorando los sistemas

de monitorización de la salud estructural, cada vez más. Nuestro objetivo no es otro

que continuar con esta tendencia.

1.2. OBJETIVOS

Los objetivos principales del proyecto son los que a continuación se exponen

- Estudio del Estado del Arte de Tecnologías de las Structural Health Monitoring

- Estudio del estándar IEEE 802.15.4.

- Modelado de un edificio

- Estudio detallado de los diferentes algoritmos para la detección, identificación y

localización de daños en estructuras

- Propuesta de especificaciones para un sistema SHM



12



13

CAPÍTULO 2

Estado del Arte de las

tecnologías de la

Monitorización de Salud

Estructural



14

2. ESTADO DEL ARTE DE LAS

TECNOLOGÍAS DE MONITORIZACIÓN DE

SALUD ESTRUCTURAL

2.1. TECNOLOGÍAS DE MONITORIZACIÓN

Los códigos de diseño estructural han demostrado a lo largo de los años ser exitosos,

tanto en el propio diseño de estructuras, como en la prevención de fallos catastróficos

globales. Si bien, una vez que son construidas, las estructuras comienzan a debilitarse

debido a que en ocasiones son sometidas a duras cargas y severas condiciones de

trabajo. Mantener las estructuras en un estado fiable es importante para todos. Una

detección temprana y una evaluación de estos daños se hace necesaria para asegurar

que las estructuras siguen cumpliendo los estándares de seguridad. El proceso de

determinación y seguimiento de la integridad estructural y la evaluación de la

naturaleza de los daños en una estructura es lo que se conoce como Monitorización

de la Salud Estructural (Structural Health Monitoring, SHM).

Idealmente, las tecnologías SHM consisten en determinar la ubicación, la gravedad de

los daños y realizar una predicción a partir de los datos parámetros medidos.

El terremoto de Norhridge en 1994 supuso unos daños en las estructuras ubicadas

dentro del área metropolitana de Los Ángeles de más de 200 millones de dólares.

Después de eventos sísmicos es obligado por ley que las estructuras sean sometidas

a una inspección detallada. Estas inspecciones se realizaban contratando técnicos.

Éstos hacían uso de equipos de medida muy costosos, lo cual, junto a que los técnicos

en ocasiones podían correr algún tipo de riesgo, encarecía el servicio que

proporcionaban (en el terremoto de Norhridge se calcula que el precio de las

inspecciones estaba entre 200 y 1000 dólares por punto de medida). Posteriormente

se comenzaron a desarrollar las tecnologías SHM (se entiende sin necesidad de

personal humano). Los primeros sistemas fueron cableados, que eliminaban la

necesidad de que fuese personal humano el que desarrollara la tarea de evaluar la

estructura (lo cual reducía considerablemente el coste del servicio), pero esto seguía

suponiendo un coste demasiado elevado, pues las dimensiones del cableado pueden

llegar a ser muy grandes (podía suponer hasta un coste de 5000 $ por punto de

medida). Además también había que tener en cuenta el impacto visual del sistema, lo

cual era otro inconveniente. Es por esto que se comenzaron a desarrollar las

tecnologías SHM inalámbricas. Éstas eliminan los problemas anteriormente expuestos,

ya que el impacto visual es mínimo y se han conseguido costes inferiores a 200 $ por

punto de medida. Estos últimos sistemas presentan otras ventajas, como una mayor

densidad de nodos o la facilidad de instalación de nodos.

El hecho de que los costes de dispositivos de computación y las tecnologías de la

comunicación se viesen notablemente disminuidos, a la vez que se seguía cumpliendo



15

la Ley de Moore1, dio lugar a que las tecnologías inalámbricas sufrieran grandes

avances. Straser y Kiremidjian (1998) fueron los primeros en proponer la integración

de dispositivos radio en los sensores para reducir el coste de los sistemas. A partir de

ahí han sido numerosos los investigadores que han desarrollado estudios sobre estos

sistemas, como Lynch (2002), Casciati (2004), Glaser (2004), Spencer (2005), etc.

Gracias a estos estudios los sistemas SHM se están convirtiendo en tecnologías

fiables y de bajo costo.

2.1.1. Subsistemas de un sistema de monitorización de salud estructural

Existe una división clara de los elementos de un sistema SHM. El funcionamiento ideal

de un sistema sería poder tomar datos, enviarlos a los nodos encargados de realizar

las tareas computacionales, evaluar los resultados obtenidos después de realizar esas

tareas computacionales y tomar decisiones en función de las diferentes situaciones.

Los bloques necesarios en un sistema para poder realizar estas funciones son [1]:

- Adquisición de datos. Los ejemplos más típicos de características medidas son:

o Tensión. Wang y Pran (2000), entre otros, emplearon sensores de fibra

óptica para monitorizar la flexión vertical, la torsión y las fuerzas

verticales en la cubierta del Norwegian Fast Patrol Boat. El último

objetivo de estas medidas es el cálculo de los momentos globales de

flexión a los que la cubierta del barco estaba expuesta.

o Desplazamiento. Las estructuras se componen de varios componentes

estructurales. El movimiento de éstos elementos puede redistribuir las

cargas de la estructura e incluso provocar algún fallo en la estructura.

Un seguimiento del desplazamiento relativo entre los elementos podría

proporcionar información para evaluar la integridad de la estructura. Así

Su (1998) propone un modelo en el que hace uso de TDR (Time

Domain Reflectometry) para monitorizar los desplazamientos relativos

entre los elementos estructurales.

o Aceleración. Son múltiples las técnicas que se pueden utilizar con los

acelerómetros. A partir de las medidas de estos dispositivos se obtienen

las funciones de respuestas en el dominio de la frecuencia. De estas

funciones es bastante fácil extraer parámetros normalmente usados

para la monitorización de salud estructural como es la frecuencia de

resonancia, por ejemplo.

o Temperatura. Es conocido que el comportamiento de una estructura

puede variar según la temperatura a la que esta se encuentre. Por esto,

un parámetro que parece lógico medir es la temperatura. El fin de estas

medidas es, teniendo las medidas de la temperatura a la que se

encuentra la estructura en general o algún componente en particular,

eliminar el efecto de las mismas en lo que al comportamiento de la

estructura se refiere.

1 Gordon Moore afirmó en 1965, en una entrevista a la revista Electronics, que el número de

transistores por pulgada en circuitos integrados se duplicaría cada año y que la tendencia continuaría



16

o Viento. Al igual que con la temperatura, es obvio pensar que el viento

afecta al comportamiento de la estructura. El fin de estas medidas

vuelve a ser el mismo; introducir un parámetro que simule el viento en

el modelo de la estructura y así poder determinar el comportamiento de

la misma.

o Otros. Hay otra serie de parámetros que pueden ser útiles para evaluar

la integridad de la estructura tales como la humedad, la corrosión, etc.

Para obtener estos datos es necesario que la estructura sea excitada, bien por

excitaciones forzadas (son previamente caracterizadas, para que el algoritmo

de detección de daños las tenga en cuenta), las cuales suelen tener la ventaja

de que suelen estar muy por encima de las señales ruidosas que se introducen

en el sistema, bien por excitaciones ambientales (estas son las excitaciones

consideradas cuando la estructura esta bajo condiciones de trabajo normales),

o bien excitaciones locales, las cuales se caracterizan porque excitan solo

afectan a una parte de la estructura.

Los sensores usados para tomar estos datos del exterior o de la propia

estructura están en continuo avance. Así ya se dispone de sensores de última

tecnología como sensores de fibra óptica o sensores piezo-eléctrico, o MEMS2,

(Micro-Electro-Mechanicals Systems), etc.

.

Figura 1. Acelerómetro MEMS

Para no saturar las memorias de los dispositivos ni los canales de transmisión

es necesario hacer una reducción de la información adquirida. Una técnica que

se aplica es no almacenar todos los datos adquiridos, si no sólo aquellos que

supongan una variación respecto a los medidos en instantes anteriores. Otra

opción es almacenar solo los valores de pico obtenidos (por ejemplo de

2 Micro-electro-Mechanicals Systems se refiere a la integración de elementos mecánicos, sensores,

actuadores y elementos electrónicos en un único sustrato o base a través de tecnologías de microfabricación. La principal ventaja que aportan los MEMS es la posibilidad de integrar un sistema completo en un único chip



17

amplitud, para una evaluación utilizando las formas de modo, más adelante se

explica). Esta elección, de qué datos almacenar, dependerá del algoritmo

seleccionado para la evaluación de la salud de la estructura.

- Comunicación de datos. Cuando se habla de comunicación de datos se refiere

a la transmisión de datos desde los nodos hasta los sistemas coordinadores o

servidores. Esta transmisión puede ser de dos tipos; por cable o inalámbrica.

Son muchas las ventajas que aportan las tecnologías de transmisión

inalámbrica, como las anteriormente mencionadas (reducción de costes e

impacto visual), o una mayor integración, mayor flexibilidad, menor consumo

(pues los nodos están activos menos tiempo), etc. En la siguiente imagen

podemos ver el impacto visual de un sistema cableado (concretamente el que

se instaló en el Cañón de Alamosa, en Nuevo México, para validar un sistema

inalámbrico)

Figura 2. Sistema cableado. Cañón de Alamosa

Figura 3. Sistema Inalámbrico. Cañon Alamosa



18

Según Straser (1998) el coste de la instalación en los sistemas cableados está

en torno al 25% del coste del sistema y consume el 75% del tiempo de

instalación de todo el sistema.

- Procesamiento inteligente de datos. Es normal que mucha de la información

que se recoge de los sistemas de adquisición de datos sea inútil o redundante,

por tanto es importante tener en cuenta este factor para poder realizar una

correcta interpretación de los datos. Por ejemplo, en ocasiones hay que realizar

correcciones térmicas debido a que hay sensores que pueden ver afectada su

respuesta en función de la temperatura a la que estén trabajando.

- Almacenamiento de datos procesados. Se entiende por este término al

almacenamiento de los datos listos para poder evaluar la estructura, una vez

realizadas las correcciones necesarias sobre los datos adquiridos en cada

caso.

- Diagnóstico. Se trata de la ejecución del algoritmo o los algoritmos utilizados

para la evaluación de la salud estructural.

2.1.2. Plataformas existentes

Hasta la fecha se han diseñado e implementado multitud de sistemas. A continuación

se presenta una clasificación de los mismos dividiéndolos en sistemas académicos y

comerciales, pero antes se explican una serie de conceptos utilizados durante la

descripción de los sistemas anteriormente mencionados.

- ADC

o Canales A/D. Se trata del número de entradas independientes que es

capaz de digitalizar un convertidor analógico – digital.

o Tasa de Muestreo de un ADC. Es la cantidad de muestras que se

obtienen de la señal analógica. Normalmente se mide en

muestras/segundo

o Resolución A/D. Es el nivel mínimo de tensión (para nuestro caso) que

el convertidor es capaz de digitalizar. Por debajo de ese nivel el

convertidor lo asociará a un nivel de tensión de 0V o a ruido.

o Entradas de datos: Interfaces de entrada desde el ADC al

microcontrolador

- Microcontrolador

o Tamaño de bus de un Microcontrolador. Número de bits de las

direcciones utilizadas por el microcontrolador.

o Velocidad de reloj. Se trata del tiempo que tarda el microcontrolador en

realizar sus operaciones básicas tales como poner un valor en un

registro, realizar una suma, etc.



19

o Memoria de programa. Se trata de la memoria donde se almacena el

Sistema Operativo y el Software que utilizará el microcontrolador.

Normalmente es de tipo no volátil.

o Memoria de datos. Es la memoria donde se almacenan los datos

obtenidos, por ejemplo de los sensores. Normalmente estas memorias

son de tipo RAM, para así tener un acceso rápido a los datos.

- Radio

o Frecuencia de trabajo. Es la parte del espectro de frecuencias donde

trabaja el transceptor

o Estándar: Norma de la que se hace uso para transmitir la información.

o Espectro expandido. Se trata de una técnica de modulación de señales

para una transmisión más fiable. Tienen como inconveniente que no

hacen un uso eficiente del espectro de frecuencias.

o Alcance exterior. Distancia salvable entre dos transceptores en un

espacio abierto, sin edificaciones.

o Alcance interior. Distancia salvable entre dos transceptores en el interior

de una zona urbanizada o dentro de un mismo edificio.

o Tasa de datos. Velocidad de transmisión de los datos entre dos

transceptores.

- Otros datos

o Potencia. Potencia consumida por el sistema completo (dependerá del

tiempo que estén encendidos, de la cantidad de datos a transmitir, etc.)

o Alimentación. Modo de alimentación

2.1.2.1. Sistemas Académicos

La siguiente tabla muestra algunos de los sistemas académicos que se han

desarrollado. [2]

Straser y

Kiremidjian

(1998)

Bennet

(1999)

Lynch

(2001,

2002a,

2002b)

Mitchell

(2002)

Kottapall

y (2003)

Lynch (2003,

2004a, 2004e)

Aoki

(2003)

Basheer

(2003)

ESPECIFICACIONES DE ADQUISICIÓN DE DATOS

Canales

A/D 8 4 1 5 1 Multiple

Tasa

Muestreo 240 Hz

100

kHz 20 MHz 20 MHz 100 kHz

Resolució

n A/D 16 bits 16 bits 16 bits 16 bits 8 bits 16 bits 10 bits



20

Entradas

de datos 0 2 0 2

ESPECIFICACIONES MICROPROCESADOR

Procesa-

dor

Motorola

68HC11

Hitachi

H8/329

Atmel

AVR85

15

Cygnal

8051

Microchi

p

PIC16F7

3

Atmel

AT90S8515

AVR/MPC555Po

werPC

Renesa

s

H8/4069

F

ARM7TD

MI

Tamaño

Bus 8 bits 8 bits 8 bits 8 bits 8 bits 8 bits/32 bits 8 bits 32 bits

Velocidad

Reloj 2,1 MHz 4,9 Hz 4 MHz 20 MHz 4 MHz / 20 MHz 20 MHz

Memoria

Programa 16 kB 32 kB 8 kB 2 kB 4 kB 8 kB/26 kB 128 kB

Memoria

Datos 32 kB 32 kB 128 kB 192 kB 512 kB/448 kB 2 MB

ESPECIFICACIONES WIRELESS

Radio Proxim

ProxLink

Radiometri

x

Proxim

Range

LAN2

Ericsson

Bluetooth

BuleChi

p

RBF915

Proxim

RangeLAN2

Realtek

RTL801

9AS

Phillips

Blueberry

Bluetooth

Frecuen-

cia 900 MHz 418 MHz

2.4

GHz 2.4 GHz

900

MHz 2.4 GHz 2.4 GHz

Estándar 802.15.1 802.15.1

Espectro

Expandi-

do

Si No Si Si Si Si No Si

Alcance

Exterior 300 m 300 m 300 m 10 m 500 m 300 m 50 m 100 m

Alcance

Interior 150 m 150 m 10 m 200 m 150 m 50 m

Tasa

Datos 19.2 kbps 40 kbps

1.6

Mbps 10 kbps 1.6 Mbps

OTROS DATOS

Dimensio-

nes

15x13x10

cm

15x15x30

cm

10x10

x5 dm

5x3.8x1.2

cm

10x5x1.

5 cm 12x10x2 cm

30x6x8

cm

2.5x2.5x2

.5 cm

Potencia 120 mW 100 mW

Alimenta-

ción

Batería

9V

Batería

6V

Baterí

a9V Batería

Batería

9V

Batería

9V Batería

Tabla 1. Sistemas Académicos I



21

Casciati

(2003b,

2004)

Mastroleon

(2004)

Shinoz

uka

(2003)

chung

(2004)

Sazanov

Farrar

(2005)

Allen

(2005)

Wang (2005)


Canales

A/D 8 5 6 6 4

Tasa

Muestreo 480 Hz 200 kHz 100 kHz

Resolución

A/D 12 bits 16 bits 12 bits 16 bits 16 bits


Entradas

de datos 0 16 0

Procesador MicroChip

PIC-micro

Texas

Instrument

s

MSP430F

1611

Intel

Pentium/

Motorola

Atmel AVR

Atmega128

Tamaño

Bus 12 bits 16 bits 16 bits 16 bits 8 bits

Velocidad

Reloj

120/233

MHz 8 MHz

Memoria

Programa 16 MB 256 MB 128 kB

Memoria

Datos 128 kB


Radio

Aurel

XTR-

915

BlueChip

FRB915B

Chipcon

CC2420

Motorola

neuFRo

n

Maxstream

9XCite

Frecuencia 914.5

MHz 900 MHz

433

MHz 2.4 GHz 2.4 GHz 900 MHz

Estándar 802.15.1 802.11

b 802.15.4 802.15.4

Espectro

Expandido No Si Si Si Si Si

Alcance

Exterior 200-300 m 75m 9.1m 300m

Alcance

Interior 9.1m 100m

Tasa Datos 100

kbps 19.2 kbps

76.8

kbps 250 kbps

230

kbps

OTROS DATOS

Potencia 75 mW 6W



22

Alimenta-

ción Batería

Bate-

ría y

solar

Batería Batería

Tabla 2. Sistemas Académicos II

Realizando la necesidad de reducir costes, en 1998 Straser y Kiremidjian proponen el

diseño de un sistema de monitorización inalámbrico de bajo coste, al cual llaman

WiMMS. Para el control del nodo inalámbrico seleccionaron el procesador Motorola

68HC11 por soportar lenguajes de programación de alto nivel, como el lenguaje C. El

68HC11 es instalado en la placa NMIT-0022 y tiene unas características de 8 bit,

temporizador de 16 bits, puerto serie RS-232, y 64kB de memoria de programa. Con el

fin de integrar el firmware para el procesamiento local de datos se le dota a la placa

con 16 kB de ROM y 32 kB de RAM. Este nodo tiene un consumo de 135mA mientras

se está comunicando con otros nodos y 1mA en estado “dormido”. En cuanto a la

comunicación inalámbrica, se consiguieron alcanzar la distancia de 300m a una tasa

máxima de 19.2 kbps. Para la digitalización de las señales se emplean convertidores

analógicos sigma-delta, concretamente el 240 Hz Harris H17188IP, que tiene como

característica interesante que su tasa de muestreo fija a 240 Hz.

En 1999, Bennett propone el diseño de un sistema inalámbrico para incrustarlo en la

superficie de las carreteras. Las medidas serían tomadas por dos galgas de tensión y

dos termómetros. De ahí que el sistema fuese diseñado con una interfaz de cuatro

canales. Para el montaje de las galgas se hace uso de la arquitectura puente de

Wheatstone (pues las medidas con galgas se basan en el principio de la variación de

la resistividad de las mismas) y un posterior circuito de amplificación. El

microcontrolador del que se hace uso es el Hitachi H8/329 de 8 bits. Además se dota

al sistema de una memoria ROM externa de 23 kB para almacenar el software de la

unidad de sensado. Para la transmisión de datos se incluye un módulo Radiometrix

que transmite en la banda de los 418 MHz. En esta banda, dicho dispositivo radio es

capaz de alcanzar los 300 m de distancia en espacio abierto a una tasa de 40kbps.

Reconociendo la importancia que tendrían los sistemas de procesamiento de datos

descentralizados, Lynch (2001, 2002a y 2002b) propone un diseño que se centra en la

energía gastada en el procesamiento de datos. Para minimizar este parámetro

selecciónaron el microcontrolador Atmel AVR AT90S8518 de 8 bits mejorado RISC

(reduced instruction set computer). Este dispositivo es capaz de realizar 8 millones de

instrucciones por segundo. Además de tener un gran rendimiento en procesamiento de

datos sin tener un consumo excesivo de potencia, dispone de otros periféricos como

osciladores, temporizadores, puertos serie, etc. También dispone de 8 kB de memoria

Flash3, 512 bytes de SRAM4 y 512 bytes de EEPROM5 para el procesamiento de

3 Se trata de memorias no volátiles que permiten la lectura o escritura simultánea en varias de

sus posiciones de memoria. Son una evolución de las EEPROM

4 Son un tipo de memorias capaces de mantener la información almacenada mientras estén

alimentadas. Son de tipo aleatorio, lo que hace posible que las posiciones de memoria puedan ser leídas o escritas en cualquier orden



23

datos. Como convertidor analógico digital usa el Texas Instrument de 16 bits que se

caracteriza por ser un ADC de un bajo nivel de ruido y un solo canal. Al igual que en

el modelo propuesto por Straser y Kiremidjian en 1998, se hace uso del moden

inalámbrico Proxim ProxLink operando en la anda de 902-928 MHz. La diferencia con

el modelo de Straser y Kiremidjian reside en que el modelo de Lynch mejora el

consumo de potencia y en el tamaño del nodo.

Mitchell (2002), propuso un diseño de una arquitectura de dos niveles de sensores

inalámbricos. Este sistema hace hincapié en la división de la funcionalidad del sistema

de control entre los nodos inalámbricos y servidores. En este sistema los sensores

utilizaban un potente microcontralador, Cygnal 8051F006. Este microcontrolador

realiza 25 millones de instrucciones por segundo consumiendo una potencia de 50

mW. Además dispone de 2kB de RAM. La comunicación de datos ser realizaba

mediante Bluetooth, haciendo uso de un transceptor Ericsson que opera en la banda

de 2,4 GHz. Se alcanzó una distancia de unos 10m. El problema que Bluetooth

plantea es su consumo, 35mW. Una vez que los datos son recogidos por los sensores,

son transmitidos a los servidores con la tecnología anteriormente mencionada. Cada

nodo servidor tiene una radio de corto alcance (para comunicarse con los sensores

que pertenecen a la red de la cual él es el servidor/coordinador) y una de largo alcance

(para comunicarse con los demás servidores). El servidor central se diseña para

almacenar y procesar grandes cantidades de datos. Este nodo central tiene como

sistema operativo Windows. Sobre el OS se instala MATLAB6 para el procesamiento

de datos.

Kottapalli (2003) presenta una arquitectura de red inalámbrica de sensores que se

destina a superar los principales retos asociados con la sincronización de tiempo y el

consumo de energía (limitada) en los nodos inalámbricos. Kottapally, de nuevo,

presenta una arquitectura de red de dos niveles (servidores y sensores). La única

función de los sensores es recabar información del exterior para transmitirla al servidor

correspondiente. Para tal fin utilizan el transceptor radio EVK815 BlueChip a 915MHz y

codificación Manchester para los datos, a una tasa de 10 kbps. El motivo por el que

elige este modem radio es por su bajo consumo (36 mW recibiendo y 150 mW

transmitiendo). De nuevo el microcontrolador es un Atmel AVR de 8 bits y ADCs de 16

bits. El consumo de energía para cada nodo sensor es de unos 100 mW de promedio.

Esto supone un tiempo de vida autónomo de unos 18 meses. El nivel superior de la

red está formado por los servidores. Cada nodo servidor está situado en el centro de

una topología en estrella, y su función es la de recoger los datos provenientes de los

sensores. Disponen de un microcontrolador Microchip PIC de 8 bits para el control del

5 Son un tipo de memoria no volátil que puede ser programada, borrada y reprogramada

eléctricamente

6 Se trata de un software matemático creado por The MathWorks en 1984. Hace uso de un

lenguaje de programación propio, lenguaje M, disponible para Unix, Windows y Apple MAC. Entre sus prestaciones se encuentran el tratamiento de matrices, representación de datos y funciones. Además cuenta con dos herramientas que aumentan sus prestaciones, tales como Simulink (plataforma de simulación multidominio) y GUIDE (editor de interfaces de usuario). Estas prestaciones pueden aumentarse mediante toolboxes para MATLAB y blocksets para Simulink.

http://es.wikipedia.org/wiki/1984



24

almacenamiento y procesamiento de datos. Para la comunicación entre nodos

servidores se instalan transceptores Proxim RangeLAN2 que opera en la banda ISM7 a

2,4GHz, que llega hasta tasas de 1,6 Mbps y alcanza hasta 300 metros en campo

abierto y unos 150 en zonas edificadas. Este transceptor consume mucha potencia

(unos 800 mW transmitiendo y recibiendo), pero se entiende que los nodos servidores

están alimentados por la red eléctrica. La idea de que las dos radios trabajen en

diferentes bandas de frecuencias es para que haya menos interferencias.

Mientras Mitchell y Kottapalli se centran en lograr un sistema de bajo consumo por la

por la energía consumida por la transmisión inalámbrica, definiendo arquitecturas de

red de dos niveles, Lynch (2003, 2004a, 2004e) se centra en el diseño de un nodo

sensorial de bajo consumo pero de alta capacidad computacional. Para ello, Lynch

propone un diseño con doble procesador. Basándose en su anterior modelo, Lynch

(2001), hace uso del procesador Atmel AVR AT 90S8515 de 8 bits para el

funcionamiento global del nodo y la adquisición de datos. Para el procesamiento de

estos datos se utiliza otro procesador más potente, el Motorola MPC 555 PowerPC de

32 bits. Este micro dispone de 448 kB de ROM (donde se pueden almacenar los

algoritmos de detección de daños) y 26 kB de RAM (para almacenar los datos

recogidos, aunque también pueden ser almacenados en la memoria externa

propuesta, 512 kB Hitachi HM628512B SRAM). Cuando los dos procesadores se

encuentran activos, el consumo es de unos 330 mW. En modo espera, ambos

consumen 12 mW. Para la transmisión de datos se selección al transceptor Proxim

RangeLAN2

Aoki y otros investigadores (2003) propusieron un nuevo prototipo de nodo, al que

llamaron Remote Intelligent Monitoring System (RIMS). Cada componente incluido en

el diseño fue elegido con el fin de reducir costes y el tamaño del prototipo, además de

un buen rendimiento. Para ello seleccionan el microcontrolador VA H8/4069. Este

diseño incluye acelerómetros piezoresistivos (MEMS) de 3 ejes (Microstone MA3-04).

Se incluye también una memoria DRAM8 de 2 MB para el almacenamiento de datos

locales, y así intentar disminuir la cantidad de información que se transmite

inalámbricamente. Para transmitir esta información se utiliza el controlador Realtek

TRL-8019AS. Se incluye en cada sensor, además un administrador HTTP para poder

interactuar remotamente con los sensores a través de Internet.

Casciati (2003b) presenta un diseño de nodos para SHM en lugares de interés

histórico en el que los sistemas SHM cableados no son adecuados. De nuevo,

propone un diseño de arquitectura de 2 niveles. Ahora hace uso, para los sensores, de

la placa ADuC812. Ésta es un sistema de adquisición de datos que incluye un núcleo

8051, con 8 kB de memoria flash, ocho canales ADC de 12 bits y un canal de DAC,

también de 12 bits. Para la transmisión y recepción inalámbrica se instala el

transceptor XTR-915 de AUREL, que opera a 914,5 MHz, que llega hasta los 100

7 Banda para canales radio definida en las recomendaciones ITU-R 5.138, 5.150 y 5.280.

8 Se trata de un tipo de memorias muy similar a las SRAM, solo que éstas necesitan recargar sus datos

periódicamente para seguir manteniéndolos en memoria



25

kbps. A pesar de transmitir a alta tasa, el consumo no es excesivo (como máximo 160

mW). Este modelo también incluye un filtro de paso bajo de tercer orden (ajustable)

antialiasing (el aliasing es el efecto por el que dos señales analógicas distintas son

indistinguibles después de ser digitalizadas, o visto al revés, que una señal digitalizada

no pueda reconstruir la señal analógica de la que fue digitalizada, de manera unívoca,

por no tener suficiente información de ésta).

De nuevo se introduce un segundo transceptor, en los nodos servidores, para

comunicarse con los demás servidores. En este caso se propone el transceptor

MaxStream xStream que trabaja a 2,4 GHz. Éste consume unos 750 mW

transmitiendo y 250 mW recibiendo.

En 2003, Basheer propone el diseño de un nodo inalámbrico cuyo diseño fue

optimizado para el procesamiento de datos y la colaboración entre sensores

inalámbricos. Se trata de sensores que sea capaces de auto-organizarse en una red

llamada Redundant Link Network (RLN). Estos nodos fueron llamados ISC-iBlue. Su

diseño está dividido en cuatro componentes: detección, alimentación, comunicación y

tratamiento. Para el procesamiento se hace uso del micro ARM7TDMI, ya que los

procesadores ARM (ARM es una compañía de diseño de microcontroladores) son de

bajo consumo a la vez que ofrecen un buen rendimiento, 100 MIPS. Para la

comunicación se selección el componente radio Phillips Blueberry a 2,4 GHZ. Utiliza

Bluetooth de bajo consumo y corto alcance.

Mastroleon (2004) logra un sistema con mayor eficacia, en lo que se refiere a energía

consumida partiendo del sistema de Kottapalli de 2003. El núcleo de computación que

utiliza está basado en el microcontrolador PICmicro. Éste es seleccionado por su bajo

consumo de energía a la vez de que presenta un buen rendimiento,

computacionalmente hablando. Este micro es capaz de conseguir procesamiento de

datos en tiempo real y sincronización temporal usando prioridades en sus

interrupciones multinivel. Además es capaz de cambiar dinámicamente entre seis

modos de gestión de energía para alcanzar un consumo de energía mínimo. Al igual

que Kottapalli utiliza el transceptor RFB915B BlueChip. Como convertidor analógico-

digital utiliza Maxim Max1402 de 18 bits. También incorpora un termómetro digital,

DS18S20 para poder modelar los cambios de comportamiento que tiene la estructura

debido a los cambios en temperatura.

Un paso más allá dieron Shinozuka (2003) y Chung (2004) que desarrollaron un

sistema inalámbrico llamado DuraNode. La diferencia que presenta este diseño frete a

los anteriormente expuestos es que está concebido en torno a dos tipos de

acelerómetros basados en MEMS: Analog Devices ADXL202 y Silicon SD1221. No

dan muchos más detalles de sus diseños exceptuando que incorporan una tarjeta

inalámbrica basada en el estándar 802.11b a 2,4GHz y que la alimentación se

proporciona por tecnologías de polímeros de litio. Dado que, aún así, la energía

consumida es excesiva, en comparación con la que pueden proporcionar las baterías

comentadas, se dota a los nodos DuraNode con paneles solares para recargar dichas

baterías.



26

En los últimos años ha emergido un nuevo estándar que está siendo la referencia para

la absoluta mayoría de las investigaciones, se trata del estándar IEEE 802.15.4,

desarrollado expresamente para redes inalámbricas. Este estándar se centra

principalmente en la eficiencia energética. Otro importante aspecto que presenta es

que ofrece una interfaz inalámbrica estándar para facilitar así la compatibilidad con

otras plataformas. Sazonov (2004) propuso el diseño de un sensor inalámbrico basado

en 802.15.4. Para las comunicaciones usó el transceptor Chipcon CC2420 que

proporciona un alcance de 10 a 75 metros en la banda de los 2,4GHz a una tasa de

hasta 250 kbps. A pesar de esto su consumo es muy bajo, unos 60mW y 52 mW

transmitiendo y recibiendo, respectivamente. Como microcontrolador hace uso del

Texas Instruments MSP430 de 16 bits que proporciona un ADC de 12 bits de 6

canales y un DAC de 12 bits con dos canales. También cuenta con una memoria de

2MB EEPROM.

Se puede apreciar que en la mayoría de los diseños anteriores, el objetivo era

minimizar el consumo de energía. Allen (2004) y Farrar (2005) proponen un sistema

con otro objetivo: proporcionar a los sensores de potencia computacional suficiente

como para poder implementar una gama de algoritmos de detección de daños. A este

sistema lo llamaron Husky.

Farrar, con colaboración con los laboratorios de Motorola, propusieron un sensor

diseñado para interactuar con Diamond II, un paquete de detección de daños existente

en lenguaje Java. Debido a esto el procesador del que se dota a los sensores es un

Pentium a 133 MHz con 256 MB de RAM y 512 MB de Flash, que hace las funciones

de disco duro. También consta de otras funcionalidades como puerto serie, Ethernet,

USB, etc. Se diseña otra placa para proporcionar a los sensores la capacidad de

comunicarse con el nodo inalámbrico a través de una interfaz. Se les dota de un

procesador Motorola DSP56858. Una vez que son tomados los datos se envía por

puerto serie a la placa principal. Este diseño tenía un inconveniente muy fuerte, su

consumo, 6W de potencia.

Wang presenta, en 2005, un diseño con nodos con capacidad multitarea. Los nodos

diseñados pueden muestrear a la vez que envían información inalámbricamente. Se le

dota a los nodos de ADC de 16 bits y cuatro canales, concretamente del convertidor

de Texas Instruments ADS8341. Este ADC se caracteriza por un bajo consumo de

energía a la vez que puede muestrear a velocidades relativamente altas, hasta 100

kHz. Como microcontrolador se selecciona de nuevo uno de Atmel, en este caso Atmel

Atmega 128. Consta de 128 kB de ROM, 4 kB de SRAM. Se le dota, además, de una

memoria SRAM externa de 128 kB (Cypress CY621128B) para almacenar los datos

medidos. Lo que más destaca de este modelo es su unidad inalámbrica, el transceptor

9XCite MaxStream. Trabaja a 900 MHz y llega hasta los 38,4 kbps y consume 250 mW

en transmisión, 150 mW en recepción y 5 mW en modo inactivo.



27

2.1.2.2. Sistemas Comerciales.

UC

Berkeley

Crossbow

Wec

(1999)

UC

Berkeley

Crossbow

Rene

(2000)

UC Berkeley

Crossbow

MICA (2002)

UC

Berkeley

Crossbow

MICA2

(2003)

Intel

iMote

Kling

(2003)

Microstr

ain

Galbreat

h (2003)

Rckwell

Agre

(1999)


Canales

A/D 8 8 8 8 8 4

Tasa

Muestreo 1 kHz 1 kHz 1 kHz 1 kHz

1.7 kHz

(un

canal)

400 Hz

Resolució

n A/D 10 bits 10 bits 10 bits 10 bits 12 bits 20 bits


Procesad

or

Atmel

AT90LS8

535

Atmel

ATmega

163L

Atmel

ATMe

ga103

L

Atmel

Atmega128L

Zeevo

ARM7T

DMI

MicroChi

p

PIC16F8

77

Intel

StrongAR

M 1100

Tamaño

Bus 8 bits 8 bits 8 bits 8 bits 32 bits 8 bits 32 bits

Velocidad

Reloj 4 MHz 4 MHz 4 MHz 7.383 MHz 12 MHz 133 MHz

Memoria

Programa 8 kB 16 kB 128 kB 128 kB 64 kB 1 MB

Memoria

Datos 32 kB 32 kB 512 kB 512 kB 512 kB 2 MB 128 kB


Radio TR1000 TR1000 TR100

0 Chipcon CC1000

Wireless

BT

Zeevo

RF

Monolithi

cs

DR3000-

1

Conexant

RDSSS9

M

Frecuenci

a

868/916

MHz

868/916

MHz

868/91

6 MHz

315, 433 ó

868/916 MHz 2.4 GHz

916.5

MHZ 916 MHz

Estándar 802.15.1

Espectro

Expandid

o

No No No Si (software) Si Si

Tasa

Datos 10 kbps 10 kbps

40

kbps 38.4 kbps

600

kbps 75 kbps 100 kbps

OTROS DATOS

Dimensio

nes

2.5x2.5x

1.3 cm

7.3x7.3x

8.9 cm

Potencia 575 mAh 2850 mAh 2850

mAh 1000 mAh



28

Alimentaci

ón

Batería

3V

Baterí

a

3V

Batería Batería

3.6V

Batería

(9V)

Tabla 3. Sistemas comerciales

Los diseños comerciales presentan una serie de ventajas que no tiene los sistemas

académicos como la inmediata disponibilidad de los dispositivos, el apoyo técnico del

fabricante y los bajos costes de los dispositivos. Es por esto, que muchos equipos de

investigación académica usen este tipo de plataformas para sistemas de

monitorización de la salud estructural. Concretamente, la comunidad de la ingeniería

estructural ha centrado su atención en la plataforma de sensores inalámbricos “Mote”

inicialmente desarrollados conjuntamente por la Universidad de California y Berkeley y,

posteriormente, comercializados por Crossbow. Uno de los puntos fuertes de los

“Mote” es que son dispositivos abiertos y el software para sus diseños está a

disposición pública (TinyOS). Posteriormente Intel se ha unido a este tipo de

tecnologías creando sus propios diseños a los que ha llamado “iMotes”. Además hay

otras empresas que han sacado sus propios diseños, tales como Ember, MicroStrain o

Sensametrics, pero la diferencia es que estos diseños son propietarios y no de código

abierto.

El diseño Mote, ha estado en desarrollo desde finales de 1990. Su primer prototipo fue

llamado WeC, fabricado en 1999 y comercializado como Rene Mote por Crossbow.

Contaba con un microcontrolador de nuevo de Atmel de la familia AVR, concretamente

con el AT90LS8535 de 8 bits.

Incluía un ADC de 10 bits y ocho canales y velocidad de muestreo de hasta 1 kHz. En

lo que se refiere a memoria disponía de una ROM de 8 kB y 512 bytes de RAM y una

memoria adicional de 32 kB de RAM. Para establecer la comunicación inalámbrica

con otros nodos contaba con la radio RF Monolithics TR1000. Éste opera a 916 MHz,

utilizando modulación AM (modulación en amplitud) a una tasa de 10 kbps. Este

transceptor consumía tan solo 15 mW con un alcance de hasta 60 m. En 2001, el

sensor WeC fue modificado dando lugar al conocido como Rene2. El Mote Rene2 es

idéntico al WeC, salvo que el controlador ahora es un Atmel Atmega 163L, que tiene el

doble de capacidad de almacenamiento que el anterior microcontrolador, 16 kB de

ROM y 1 kB de RAM.

Glaser, en 2004, evaluó el Mote René Crossbow. Señaló algunos problemas en el

hardware, concretamente señaló problemas con la fiabilidad de los datos, al ser

transmitidos por el transceptor RF Monolithics TR1000 por un solo canal. Se

detectaron pérdidas de datos significativas. Estas pérdidas se veían incrementadas

con la presencia de equipos electrónicos, tales como cámaras, teléfonos, radios, etc.

Tanner (2002, 2003) presenta un estudio del Mote Rene2 Crossbow. En él aprueba el

funcionamiento de estos nodos. Describe su experiencia al interconectar dos

acelerómetros de tecnología MEMS al mote, concretamente el ADXL202 de Analog

Devices y el SD-1221 de Silicon. Mientras, descubre que en la interfaz de



29

acelerómetros del microcontrolador no se pueden tomar muestras simultáneas de dos

canales diferentes, pues se produce un desplazamiento relativo de 30 µs entre las

muestras. Este desplazamiento, como es lógico, afecta negativamente a la exactitud

de los cálculos realizados por el software del nodo, en este caso afecta a la hora de

calcular la correlación cruzada entre señales de alta frecuencia. Debido a que las

memorias no son muy grandes, los algoritmos que se utilizaron fueron los que

permitían un análisis de datos en tiempo real.

Para solucionar estos problemas y solucionar la fiabilidad del canal de comunicación

inalámbrica, Crossbow desarrolla el sensor MICA mote a principios de 2002 como la

evolución de Rene2. Incorpora como microprocesador el Atmel ATMEGA 103L que

cuenta con 128 kB de ROM y 4 kB de RAM. Como sistema operativo cuenta con

TinyOS. El transceptor utilizado es el TR1000 que sigue contando con un único canal

de comunicaciones. Este mote cuenta con 3 modos de funcionamiento para minimizar

el consumo de potencia: el modo ocioso, modo apagado y modo de bajo consumo de

energía. Gracias a esto el nodo MICA puede funcionar hasta 30 horas con dos

baterías AA.

En 2003, MICA fue modificado de nuevo, para mejorar la fiabilidad del canal de

comunicación. Se desarrolló entonces el Mote MICA2 que ofrece mayor fiabilidad. Éste

utiliza el transceptor Chipcon CC1000 que opera en la banda de los 900 MHz usando

modulación en frecuencia (FM) con gran inmunidad al ruido. La frecuencia portadora

se puede modificar en el software, lo que permite utilizar la técnica de espectro

expandido con salto en frecuencia, FHSS. Se utiliza ahora el micro Atmel

ATMEGA128L que tiene la misma capacidad de memoria que el ATMEGA103L.

Posteriormente se modificó el Mote MICA2 cambiando su transceptor por uno

compatible con el estándar IEEE 802.15.4 a 2,4 GHz, dando lugar al Mote MICAZ.

Los iMotes presentan una estructura ligeramente diferentes a los Motes. Cuentan con

el microprocesador ARM7TDMI de 32 bits que opera a 12 MHz. Este procesador

proporciona cuatro veces más de capacidad computacional que los MICA. Además

lleva una memora de 64 kB de RAM para almacenar los datos medidos y 512 kB de

ROM para ejecutar el sistema operativo TinyOS. Como transceptor, lleva integrado en

el mismo chip el Zeevo Bluetooth que trabaja a 2,4GHz. Proporciona comunicaciones

con una tasa de 720 kbps y alta fiabilidad, pues usa la técnica FHSS. Por otro lado,

cabe destacar que el control de acceso al medio Bluetooth (MAC) permite a las redes

de sensores inalámbricos iMotes ser más escalables a la vez que fiables. Spencer

(2004) señalaba la plataforma del Intel iMote como una herramienta poderosa para el

futuro de las SHM inalámbricas.

A parte de los sistemas desarrollados por las Universidades de California o Berkeley,

Crossbow e Intel, existen otras plataformas de sensores inalámbricos, como la

desarrollada por el Centro de Ciencias de Rockwell. Éstos proponen un diseño para

aplicaciones militares. La característica más importante es que se les dota de

capacidad para auto-organizarse cuando se desplieguen. El prototipo, llamado

AWAIRS, lleva el microprocesador Intel StrongARM 1110 de 32 bits que incluye 128



30

kB de SRAM y 1 MB de Flash. El consumo de energía de éste es de unos 200 mW en

activo y unos 0,8 mW en suspensión. Como ADC incorpora un AD7714 de 20 bits de

Analog Devices. Para la transmisión inalámbrica seleccionaron el RDSSS9M Conexant

que trabaja a 900 MHz con espectro expandido y que alcanza tasas de 100 kbps y

más de 100 m [2].

2.1.3. Comparativa Bluetooth / ZigBee

Como se puede apreciar en lo descrito hasta ahora, las tecnologías últimamente

utilizadas para la transmisión de datos son Bluetooth y ZigBee, por lo que se ha

desarrollado una comparativa entre estas dos tecnologías.

Características Bluetooth ZigBee

Estándar 802.15.1 802.15.4

Complejidad del Protocolo Complejo Simple

Tamaño de la Pila 259 kB 4 – 32 kB

Duración de Baterías

(aprox) 1-7 días

10 – 1000 días

(dependiendo del uso)

Topología Punto a Punto

Punto Multipunto

Punto a Punto

Punto a Multipunto

Árbol

Estrella

Mesh

Número de Nodos 1 – 8 >64000 nodos

direccionables

Latencia Hasta 10 s 30 ms

Alcance

1 – 100 m (dependiendo

del fabricante, incluso

más)

1 – 200 m (dependiendo

del fabricante, incluso

más)

Tasa de Datos 1 – 3 Mbps 20 – 250 kbps

Tabla 4. Comparativa Bluetooth - ZigBee

En la anterior tabla se aprecia que ambos estándares están diseñados para funciones

muy distintas, dentro de las transmisiones inalámbricas de datos. Por un lado el

consumo, el cual es mucho menor en ZigBee, lo que hace esta tecnología más

adecuada que Bluetooth para sistemas autónomos. Por otro lado hay una gran

diferencia en las tasas de datos. Bluetooth es la tecnología adecuada para



31

transferencias de datos a una tasa alta, como pueden ser, transferencias de ficheros,

de sonido, etc. Otro aspecto a tener en cuenta es el tipo de topología de red que

soportan ambos estándares.

2.1.4. Sistemas empotrados

El software integrado en los microprocesadores suele estar estructurado en capas

jerárquicas. En la capa más baja reside el Sistema Operativo. La función principal del

OS es ocultar detalles del hardware de los sensores inalámbricos (en este caso) a las

capas de software superiores y de formar la topología de la red de una manera eficaz.

Por encima del OS se sitúan las capas destinadas a la explotación de los sensores

inalámbricos, con funciones como la adquisición de datos, almacenamiento de los

mismos, comunicación con otros sensores y a la ejecución de los algoritmos de

detección de daños.

Uno de los sistemas operativos más utilizados es TinyOS, que fue desarrollado

conjuntamente por investigadores de la universidad de California y Berkeley en

colaboración con el Laboratorio de Investigación de Intel. Así es el OS empotrado por

defecto en los Motes de Crossbow y en los iMotes de Intel. La principal ventaja que

tiene TinyOS sobre el resto de sistemas operativos es que es de código abierto y por

tanto está a disposición pública para su libre uso y modificación. Según lo descrito por

Hill (2000), TinyOS está destinado a maximizar el potencial de los limitados recursos

disponibles en sensores inalámbricos para lograr un funcionamiento eficaz. Además

tiene la característica de que ocupa muy poco espacio (256 bytes de RAM y 4 kB de

ROM), por lo que puede ser empotrado en la mayoría de las plataformas existentes.

Por otro lado está escrito en lenguaje de programación de alto nivel, como es C,

lenguaje ampliamente extendido. Incluye servicios como la adquisición de datos a

través de sensores, varios modos de funcionamiento de bajo consumo. Se distingue

de otros OS por su apoyo a crear redes ad-hoc y transmisiones multi-hop

(retransmisión de datos por medio de sensores inalámbricos de modo que los datos

lleguen al sensor destino, aún estando fuera del alcance de su transceptor). Cuando

un sensor está listo para enviar datos, TinyOS ejecuta la función RouteSelector para

recomendar una ruta óptima.

Por otro lado, investigadores como Lynch (2004) han descrito otro tipo de Sistema

Operativo. Este OS está escrito en forma modular para encapsular la funcionalidad de

los subsistemas del sensor inalámbrico, concretamente se crean seis subdivisiones,

las cuales se programan también en lenguaje C. La primera de las subdivisiones opera

sobre el puerto serie del microcontrolador para el funcionamiento de la radio

inalámbrica. Las subdivisiones segunda y tercera utilizan el módem inalámbrico

RangeLAN2 mediante la aplicación de los protocolos de comunicación del módem. La

cuarta se centra en operar sobre el ADC. La quinta subdivisión se encarga del

almacenamiento eficiente de los datos. La última es la encargada de realizar

mediciones de los sensores digitales.

Este último OS comentado fue objeto de una actualización por parte de Wang en

2005. Este rediseño tuvo como finalidad permitir que múltiples tareas se ejecutasen al



32

simultáneamente. Esto permite que los sensores puedan tomar medidas y transmitir

datos a la vez, además de mejorar la sincronización de los relojes de los nodos a

través de la red.

Otro de los sistemas operativos que están emergiendo es Contiki. Es desarrollado por

un grupo de investigadores dirigidos por Adam Dunkels en el Instituto Sueco de

Ciencias de la Computación. Actualmente cuenta con dieciséis miembros del SICS,

SAP AG, Cisco, Atmel y TU Münich. Contiki es, al igual que TinyOS, de código abierto,

multitarea. Diseñado para obtener una mayor eficiencia en memoria en sistemas de

redes inalámbricas. Es un OS diseñado para microcontroladores con una capacidad

de memoria no elevada, pues requiere de 2kB de RAM y 40 kB de ROM. Proporciona

comunicaciones IP, tanto IPv4 como IPv6. Proporciona la creación de redes IP tanto

de alto como bajo consumo por transmisión inalámbrica. Para proporcionar una larga

duración de las baterías de los sensores, Contiki proporciona un mecanismo basado

en el software de perfiles de energía que realiza un seguimiento de los gastos de

energía de cada nodo sensor [3].

2.1.5. Determinación de cuatro niveles de sistemas de monitorización (de

menor a mayor complejidad) [4]:

- Detección de los daños. Nivel I. Los sistemas de este nivel sólo tienen

capacidad de detectar la presencia de algún tipo de daños en la estructura en

la que esté instalado

- Localización de los daños. Nivel II. A medida que se aumenta la densidad de

sensores en la estructura se podrá detectar la localización de los daños

- Cuantificación de los daños Nivel III. Estos sistemas son capaces de cuantificar

de algún modo los daños. Por ejemplo tiene la capacidad de (suponiendo que

el daño de una estructura ha supuesto una grieta en la misma) localizar la

grieta y además sus dimensiones

- Predicción de posibles consecuencias. Nivel IV. Los sistemas capaces de

realizar estas predicciones son muy complejos. De nuevo nos encontramos

ante unos sistemas que requieren mucha carga computacional, por tanto

mucho tiempo de funcionamiento y consecuentemente mucho consumo de

energía, por lo que se descarta. La elevada carga computacional se debe a

que, para hacer un pronóstico, hay que combinar el modelo de cargas de la

estructura con el modelo de daños que presenta la estructura. Además hay que

tener en cuenta muchos factores difíciles de medir, como la humedad en el

interior de la estructura, la corrosión, etc.

2.1.6. Tipos de seguimiento

Seguimiento continuo: En este tipo de seguimiento, los nodos están continuamente

obteniendo datos del exterior y procesándolos. Esto supone un consumo de energía

muy alto y dado que el sistema que estamos diseñando debe tener alta autonomía, en

lo que se refiere a alimentación, este tipo no es adecuado.



33

Seguimiento periódico: Normalmente, el seguimiento continuo sólo se aplica en

estructuras sumamente importantes, o si hay alguna duda de su integridad estructural.

Para el caso en el que la estructura esté expuesta a eventos extremos, tales como

terremotos, huracanes, o si el diseño de la estructura es tan innovador que no existe

un historial de estructuras que pueda demostrar su solvencia a largo plazo. Se basa en

que los nodos están la mayor parte del tiempo en stand-by y sólo pasan a modo activo

en ciertos momentos. Es en estos instantes cuando se recoge la información del

exterior y se analiza. Este método, por tanto, es mucho más adecuado que el anterior

para el proyecto que nos atañe. Esto hace imposible que se pueda detectar el fallo de

una estructura justo en el momento en el que se produce el daño, pero éste daño será

detectado cuando los sensores pasen a modo activo.

2.1.7. Tipos de análisis.

Las SHM se dividen en dos grandes grupos [5].

Parámetros Locales: Se basan en el estudio de componentes o partes concretas de la

estructura. Como sensores típicos para realizar este tipo de evaluación se pueden

tomar las galgas de tensión o deformación. Normalmente este tipo de análisis requiere

de tasas de muestreo relativamente altas (del orden de kHz). En este grupo es donde

entran la mayoría de los métodos NDE (Non-Destructive Evaluations) [6], que suelen

ser utilizados para localizar la parte dañada de la estructura. Por otro lado cabe

comentar que estos métodos, a menudo, son muy lentos y costosos. Los NDE son

métodos que son capaces de evaluar la estructura sin realizar tener que excitar la

estructura dañándola, como ocurre en el caso de someter una estructura a cargas muy

altas. Un ejemplo es la evaluación por ultrasonidos.

Parámetros Globales: Estas tecnologías hacen una valoración de la salud de la

estructura analizando parámetros globales de la estructura, como la frecuencia de

vibración, las formas de modo de la estructura, la temperatura de la misma, etc. Este

es tipo de análisis es muy útil, ya que existen multitud de algoritmos que se basan en

principios físicos como la aceleración para evaluar la salud de la estructura. El tipo de

sensor que normalmente se usa para este tipo de análisis es el acelerómetro. La

evaluación de la salud estructural mediante este tipo de parámetros, no requiere una

tasa de muestreo tan alta como en el caso de la evaluación mediante parámetros

locales. Procedimientos para la detección de daños típicos en este tipo de análisis son

la detección por cambios en la frecuencia de resonancia, en las formas de modo, etc.

[4] - [6]

2.1.8. Estudio de las Tecnologías SHM a través de ejemplos

representativos.

En éste epígrafe se da una visión general de algunos de los sistemas que se han

instalado en construcciones físicas y además se muestran algunos resultados

obtenidos.



34

- Sistema de monitorización propuesto en 2002 por Lynch, Law, Kiremidjian,

Kenny y Carryer [7].

Este modelo nos presenta como novedad a los sistemas anteriores la inclusión

de un módulo inalámbrico. Permite una arquitectura de red en modo peer-to-

peer, centralizado o una arquitectura hibrida combinando las dos. Otra novedad

que presenta es que no se requiere un nodo central donde realizar todo el

proceso computacional de la información, si no que los nodos están dotados de

un microprocesador (aunque el nodo central seguirá realizando mas

procesamiento de datos que los sensores). El tipo de sensores que, en este

caso, se utilizan son acelerómetros. Como dispositivo inalámbrico utiliza un

modem ProxLink. Alcance de unos 30 metros en construcciones.

Figura 4. Izquierda: sistema inalámbrico. Derecha: sistema cableado

Figura 5. Sistema instalado



35

A continuación se muestra la entrada a la estructura (la excitación) y las

medidas obtenidas.

Figura 6. Entrada al sistema

Figura 7. Respuesta de los acelerómetros

Figura 8. Espectro en frecuencia de la respuesta de la estructura



36

En el espectro se puede apreciar con claridad 2 frecuencias de resonancia en

1.86 Hz y a 5.10 Hz. Para validar estos resultados se utiliza DIAMOND

(herramienta desarrollada por los Laboratorios de Los Álamos). Los modos

detectados usando este software fueron 1.95 y 5.05 Hz.

- Sistema validado en Alamosa Canyon Bridge en 2003 [8].

El diseño que aquí se propone se realiza con el fin de de mejorar la distancia

de los enlaces radio y el coste de los nodos. Consta de ADCs de 16 bits, que

proporcionan un rango dinámico de hasta 67 dB, dos procesadores: un Atmel

de 8 bits y un Motorola MPC555, que se activará, solo cuando sea necesario,

para la ejecución de los algoritmos que requieran una alta capacidad

computacional y un modem radio Proxim RangeLAN2 que cubre una distancia

de 130m. El sistema es comparado con un sistema cableado instalado

paralelamente en la estructura obteniéndose resultados muy parecidos.

Figura 9. Puente Cañón de Alamosa

Figura 10. Respuesta del sistema; cableado (arriba), inalámbrico (debajo)



37

Figura 11. Funciones de respuesta en frecuencia del sistema cableado e inalámbrico

- Sistema propuesto por Kurata, Spencer Jr y Ruiz-Sandoval en 2005 [9].

Este proyecto va más allá y se propone determinar los límites de las

plataformas de sensores autónomos. Para ello se basa en los nodos MICA y

MICA2 desarrollados conjuntamente por investigadores de las Universidades

de California y Berkeley. Se trata de software y hardware libre. Como Sistema

Operativo usan TinyOS, también de código abierto. Este OS cuenta con

mensajería radio, autoconfiguración de redes, multi-hopping y modo de bajo

consumo, entre otras características. Los nodos se comunican

inalámbricamente MICA y MICA2 con una estación base. Se utiliza la placa

MTS310, a la que se le conectan los nodos MICA o MICA2. En el caso de

MICA2 se simula la acción de un terremoto. En ambos casos la información

recibida es correcta.

Figura 12. Segundo piso:(a) Sistema cableado y (b) sistema con MICA2. Base: (c) aceleración

por sistema cableado y (d) aceleración por sistema con MICA2



38

- Sistema validado en Geumdang Bridge en Corea en 2006 [10]. En este estudio

se pretende medir la precisión de un sistema SHM de bajo costo difíciles

condiciones ambientales. Para ello se instalan en el puente Geumdang de

Korea. Los resultados obtenidos por el sistema inalámbrico instalado (de 14

nodos) se comparan don los obtenidos por un sistema cableado y testeado. El

puente se somete a las vibraciones forzadas producidas por el paso de

camiones a través de él. El comportamiento se analiza a través de parámetros

modales, haciendo uso de la FFT. Se realizan dos tipos de pruebas: con y sin

acondicionador de señal externo al nodo para eliminar algunas fuentes de ruido

(el nivel de ruido baja de 2.2 a 0.13mg). El resultado fue la validación de un

sistema de alta precisión inalámbrico.

Figura 13.Puente Geumdang (a y b) y configuraciones 1 (c) y 2 (d)

El sistema se instala en varias configuraciones para ver el efecto que se

produce al tener diferentes topologías de red y la importancia de

seleccionar los puntos de medida adecuados

Figura 14. Repuesta de los sensores en varias configuraciones

- Golden Gate Bridge en San Francisco en el año 2007 [11].

El sistema se instala sobre dicho puente de 1.2 km de longitud. De nuevo los

nodos implicados están formados por acelerómetros (uno de alta y otro de

menor precisión), filtros antialiasing, ADCs de 16 bits y el nodo MICAZ para el



39

control y las comunicaciones. El sistema instalado consta de 64 nodos

sincronizados con hasta 46 hops. Se consiguen menos de 10us de jitter, una

precisión de 30µg y consiguiendo una tasa binaria de 441bps.

Figura 15. Nodo, antena y batería instalada en el centro de la construcción

.

Figura 16. Resultados obtenidos de Simulación mediante Elementos Finitos, Abdel Ghaffar

(otro método validado) y en este estudio

2.2. ALGORITMOS PARA LA IDENTIFICACIÓN DE

RIESGOS EN ESTRUCTURAS

Son muchas las posibilidades que existen en lo que se refiere a algoritmos. A

continuación se enumeran y explican brevemente [1] y [12].

- Frecuencia de Resonancia. Según las referencias indicadas, cambios en la

rigidez de la estructura implica cambios en las propiedades modales de esta y

por tanto en su frecuencia fundamental.

Pero éste método presenta muchas limitaciones. Para poder detectar daños

por cambios en las frecuencias fundamentales es necesario realizar medidas

muy precisas o bien que los daños sean graves. Por ejemplo Farrar (1994)



40

realizó pruebas en la autopista interestatal 40 de EE.UU. Se redujo la rigidez de

la sección transversal de la autopista el 96,4%, reduciendo la rigidez de flexión

en un 21%. No se obtuvieron cambios significativos en las frecuencias

fundamentales.

La frecuencia natural es un parámetro global de la estructura, por lo que el

sistema de monitorización no podrá ser de un nivel superior a 1.

- Formas de Modo. Consiste en realizar correlaciones entre las formas de modo

que tenía la estructura en cuestión recién construida (se entiende en estado

saludable) y las formas de modo que se van obteniendo en sucesivos instantes

de muestreo. Una variante simplificada de éste método es comparar los picos

de amplitud de cada modo con los que tenía cuando en el momento de

construcción de la estructura. Cabe comentar que, mientas más alto es el

número de modos, más fácil es detectar y localizar daños.

- Curvaturas en Formas de Modo. Pandey (1990) demostró que cambios en la

curvatura de las formas de modo puede ser un buen indicador de la existencia

de daños.

En el caso de vigas, existe cierta relación entre la curvatura de las formas de

modo y la rigidez de flexión de la misma (la rigidez de flexión es igual al

momento flector dividido por la curvatura correspondiente, que es la segunda

derivada de la deformación de flexión). Chance (1994) encontró errores en el

cálculo matemático de las formas de modo, por lo que propuso realizar

medidas de la tensión en lugar de medir la curvatura directamente. Los

resultados mejoraron enormemente.

- Modal Strain Energy. Este método es propuesto por Zhang, Qiong y Link

(1998). Utiliza medidas de las formas de modo y de las frecuencias

fundamentales de la estructura, tanto dañada como no dañada y un modelo de

elementos finitos de la misma para localizar los daños.

- Amortiguamiento. El método de amortiguamiento puede ser más adecuado

según los tipos de daños que se produzcan. Cuando se producen cambios no

lineales en la estructura (como grietas), este método es más eficaz que la

detección por frecuencias fundamentales o formas de modo. Modena, Sonda y

Zonta (1999) demuestran que grietas visualmente no detectables pueden

producir pequeños cambios en las frecuencias fundamentales mientras que el

amortiguamiento sufre grandes cambios.

- Vector de Ritz. Es una alternativa a las formas de modo. Sin embargo presenta

muchos problemas por la complejidad que supone la extracción de los vectores

de Ritz de las medidas de vibración.

- AR-ARX. Sohn y Farrar (2001) [13] aplican técnicas de control de procesos

estadísticos a diagnostico de daños mediante vibración. Primero se construye

un modelo autorregresivo (AR) y posteriormente uno con entradas exógenas

(ARX). ARX se usa para extraer del modelo parámetros modales como las

condiciones ambientales. Este método se explica con más detalle en el

epígrafe 4.1.1.2.



41

- Existen otros métodos como Flexibilidad Dinámica, Antiresonancia, Análisis

Canónico, Análisis Tiempo-Frecuencia, Descomposición de Modo Empírica,

Transformada de Hilbert, etc.



42

CAPÍTULO 3

Visión general del Estándar

IEEE 802.15.4



43

3. VISIÓN GENERAL DEL ESTÁNDAR

802.15.4

Este estándar define el protocolo y la interconexión de dispositivos vía radio en una

red de área personal (PAN) con acceso múltiple al medio sin colisión (CSMA-CA).

Soporta topología punto a punto y estrella.

Para poder entender el resto del epígrafe se hace necesario anotar una serie de

definiciones y aclaraciones:

- Alternate personal area network (PAN) coordinator: Un coordinador que es

capaz de reemplazar al coordinador PAN cuando este se cae de la red.

- Beacon-enabled personal area network: Un PAN en la cual todos los

coordinadores emiten balizas (beacon)

- Contention Access period (CAP): Es el periodo inmediatamente después a la

llegada de la trama baliza (beacon) durante el cual los dispositivos que deseen

transmitir competirán por el acceso al canal usando CSMA-CA

- Contention Access period (CAP) symbol: Un símbolo que “ocurre” durante el

periodo CAP

- Coordinador: Es un full-function device (FFD) capaz de retransmitir mensajes.

Si el coordinador es el controlador principal de la PAN, se denomina PAN

coordinator.

- Dispositivo: Dos tipos: Full-function device (FFD) y reduced-function

device(RFD).

- FFD: Dispositivo capaz de operar como un coordinador.

- Idle period: duración del tiempo donde no hay programada ninguna acción

para los tranceptores

- Self-healing: Es la capacidad de la red para detectar y recuperarse de los

fallos que aparecen tanto en los nodos de la red o en los enlaces de

comunicación, sin intervención humana.

- Self-organizing: Es la capacidad de la red de detectar la presencia de otros

nodos y organizarlos en la estructura de la red sin intervención humana.

- Un FFD puede operar en 3 modos: como PAN coordinador, como coordinador

o como dispositivo de funciones reducidas (RFD).

- Un FFD puede hablar con RFDs u otros FFD, mientras que un RFD puede

hablar solo con un FFD. Un RFD está destinado a aplicaciones

extremadamente simples, tales como sensor pasivo de infrarrojos. No tienen

necesidad de enviar grandes cantidades de datos y solo pueden asociarse con

un FFD en un instante de tiempo (no deben asociarse a varios FFD

simultáneamente).

El estándar cuenta con cuatro capas físicas definidas:

- 868/915 MHz Espectro expandido por secuencia directa (DSSS) empleando

modulación por cambios de fase binarios por desplazamiento (BPSK)

- 868/915 MHz DSSS empleando modulación O-QPSK



44

- 868/915 MHz espectro expandido por secuencia en paralelo empleando BPSK

y modulación por desplazamiento en amplitud (ASK)

- 2450 MHz DSSS empleando O-QPSK

Las frecuencias, las modulaciones y las tasas binarias que se soportan son las que se

muestran en la siguiente tabla:

Capa Física Frecuencia Modulación Tasa de bits

868/915 868-868.6 BPSK 20

902-928 BPSK 40

868/915 (opcional) 868-868.6 ASK 250

902-928 ASK 250

868/915 (opcional) 868-868.6 O-QPSK 100

902-928 O-QPSK 250

2450 2400-2483.5 O-QPSK 250

Tabla 5. Capa física IEEE 802.15.4

Un FFD puede operar en 3 modos: como PAN coordinador, como coordinador o como

dispositivo de funciones reducidas (RFD).

Un FFD puede hablar con RFDs u otros FFD, mientras que un RFD puede hablar solo

con un FFD. Un RFD está destinado a aplicaciones extremadamente simples, tales

como sensor pasivo de infrarrojos. No tienen necesidad de enviar grandes cantidades

de datos y solo pueden asociarse con un FFD en un instante de tiempo (no deben

asociarse a varios FFD simultáneamente).

3.1. TOPOLOGÍAS DE RED

Estrella ó Peer-to-Peer

Figura 17. Topologías de red 802.15.4



45

En la topología en estrella la comunicación es establecida entre dispositivos y un

controlador central, el PAN coordinator. El coordinador suele estar conectado a la

corriente eléctrica, mientras que los dispositivos (RFD) suelen alimentarse con

baterías. Por tanto esta topología es adecuada para aplicaciones de bajo consumo de

potencia.

La topología peer-to-peer también tiene un coordinador, sin embargo en esta topología

cualquier dispositivo puede comunicarse con cualquier otro dispositivo siempre y

cuando haya un camino entre ellos. Esta configuración permite redes implementar

redes más complejas como las mesh, lo que permite una mayor área de cobertura

aunque también supone un mayor consumo de energía. Permite multi hopping.

3.1.1. Formación de la estructura de la red en estrella

Después de que un FFD es activado, este puede establecer su propia red y ser el

coordinador de ésta. Todas las redes en estrella operan independientemente de las

otras redes en estrellas que operan en ese momento.

Una vez que el identificador PAN es elegido, el coordinador permite a otros FFD y

RFD unirse a su red.

3.1.2. Formación de la estructura de red peer-to-peer

Cada dispositivo es capaz de comunicarse con cualquier dispositivo dentro de su radio

de influencia. Un dispositivo es nominado como PAN coordinator.

Un ejemplo típico de arquitectura peer-to-peer es cluster tree. Éste es un caso especial

de una red peer-to-peer en la cual la mayoría de los dispositivos son FFD. Un RFD se

conecta a una red cluster tree como una “hoja” al final de la “rama” porque un RFD no

permite conectarse a otros dispositivos u otros coordinadores. Solo uno de esos

coordinadores puede ser el coordinador general de la PAN. El PAN coordinator forma

el primer cluster eligiendo un identificador PAN que no esté siendo usado y difunde

tramas baliza (beacon) a sus dispositivos vecinos. Necesitamos un mecanismo de

resolución por si 2 o más FFDs quieren ser los PAN coordinators simultáneamente.

Un dispositivo recibiendo una trama baliza solicita unirse a la red del coordinador de la

PAN. Si el PAN coordinator permite que el dispositivo se una a la red añade un nuevo

dispositivo como un hijo en su lista de vecinos. Después el dispositivo incorporado

añade al PAN coordinator como su padre en su lista de vecinos y comienza a

transmitir balizas periódicamente. Otro dispositivo puede añadirse a la red por este

dispositivo. Si el dispositivo primero no puede unirse a la red del PAN coordinator

buscará otro dispositivo “padre”. Una vez que se ha establecido la red, el PAN

coordinator podrá dar instrucciones a otro dispositivo que será el coordinador PAN de

un nuevo grupo adyacente al primer grupo. El inconveniente que tienen las estructuras

multicluster es el aumento de la latencia.



46

Figura 18. Topología Cluster Tree

3.2. ARQUITECTURA

La arquitectura del IEEE 802.15.4 se divide en capas. Cada una de esas capas se

encarga de una parte de la norma y ofrece sus servicios a las capas superiores, del

mismo modo que utiliza los servicios ofrecidos por las capas inferiores. El modelo de

capas está basado en el modelo OSI de 7 capas (ISO / IEC 7498-1_1994 [B12]).

Para una LR-WPAN se hace uso de la capa física (PHY), que contiene el tranceptor

radio, junto con los respectivos mecanismos de control y de la capa de nivel 2 (MAC),

que permite acceder a los canales físicos. Esto se puede ver en la siguiente figura.

Figura 19. Arquitectura de capas



47

Las capas superiores son las encargadas de proporcionar la configuración de la red, la

manipulación y los mensajes de rutado, además de una capa de aplicación, la cual

designe la función del dispositivo.

3.2.1. Capa física

La capa física proporciona 2 servicios: servicio de datos y servicio de gestión de la

interfaz física a la capa de gestión (PLME), a su punto de acceso al servicio (SAP)

(conocido como PLME-SAP). El servicio de datos permite la transmisión y recepción

de unidades de protocolo de datos PHY (PPDUs) a través del canal radio.

Las características de la capa física son:

- Activación y desactivación del transceptor radio.

- ED (energy detection)

- LQI (link quality indication)

- Selección de canal

- Clear cannel assessment (CCA)

3.2.2. Capa MAC

Proporciona 2 servicios: servicio de datos y servicio de gestión de la interfaz entre la

subcapa mac y la subcapa de gestión de la entidad (MLME) con su SAP (conocido

como MLME-SAP). El servicio de datos habilita tanto la transmisión como la recepción

MPDUs a través del servicio de datos de la capa física.

Las características de la subcapa MAC son:

- Gestión de la baliza

- Acceso al canal

- GTS (guaranteed time slot) management

- Validación de trama

- Asentimiento de entrega de trama

- Asociación y disociación

- También aporta la base para implementar mecanismos de seguridad.

3.3. VISTA GENERAL DEL FUNCIONAMIENTO

3.3.1. Estructura Supertrama

Este estándar permite usar supertrama opcionalmente. El formato de la supertrama es

definido por el coordinador. Esta supertrama es delimitada por las balizas enviadas por

el coordinador y es dividida en 16 slots del mismo tamaño. Opcionalmente, la

supertrama puede tener un tiempo activo e inactivo. Durante el tiempo de inactividad el

coordinador entrará en el modo de bajo consumo. La baliza es transmitida en el primer

slot de la supertrama. Si un coordinador no desea usar supertrama, dejará de

transmitir balizas. Las balizas se utilizan para sincronizar los dispositivos conectados,

para identificar la PAN y para descubrir la estructura de la supertrama. Cualquier

dispositivo que desee comunicarse durante el periodo CAP entre 2 balizas compite

con otros dispositivos con CSMA-CA.



48

Figura 20. Estructura Supertrama

Para aplicaciones de baja latencia o con un ancho de banda requerido, el coordinador

de la PAN debe dedicar algunos slots de la supertrama activa con este fin. Esas

porciones son llamadas guaranteed time slots (GTS). Las GTSs forman el contention-

free period (CFP)

Figura 21. Estructura Supertrama con CFP

El PAN coordinator puede destinar hasta 7 de estos GTS, y un GTS puede ocupar

más que un slot de tiempo. Sin embargo, una parte de CAP sigue siendo para el

acceso a la red de los dispositivos pertenecientes a ésta o de otros dispositivos que

quieran unirse a la red. Todas las transacciones han de ser completadas antes de

comenzar el periodo CFP.

3.3.2. Modelo de transmisión de datos

Existen 3 tipos de transacciones. La primera es la transmisión a un coordinador desde

un dispositivo. La segunda es la trasferencia desde un coordinador a un dispositivo.

La tercera es la transacción entre dos dispositivos. En topología en estrella, sólo 2 de

estas posibilidades son usadas, porque los datos deben ser intercambiados entre el

coordinador y un dispositivo. En peer-to-peer, luego las tres posibilidades pueden

usarse.



49

Una PAN con baliza habilitada se usa en redes que en las que cualquiera requiera

sincronización o soporte para dispositivos de baja latencia. Si la red no necesita

sincronización o soporte para dispositivos de baja latencia (tales como PCs), puede no

usar baliza para una transferencia normal. Sin embargo, la baliza es necesaria para

formar la red.

3.3.2.1. Transmisión de datos a un coordinador

Cuando un dispositivo desea comunicarse con un coordinador en una PAN con baliza

habilitada, primero ha de escuchar la baliza que el coordinador envía periódicamente.

Cuando escucha esta baliza el dispositivo se sincroniza con la supertrama y, en el

momento adecuado, transmite los datos, usando CSMA-CA o ALOHA ranurado. El

coordinador posteriormente le asiente la recepción correcta de los datos

transmitiéndole un asentimiento opcional.

Figura 22. Comunicación con un coordinador en una PAN con balizas

Cuando un dispositivo desea enviar información en una PAN que no tiene la baliza

habilitada, simplemente transmite sus datos, usando unslotted CSMA-CA. El

coordinador le asiente la correcta recepción de los datos con un ack opcional.

Figura 23. Comunicación con un coordinador en una PAN sin balizas

3.3.2.2. Transmisión de datos desde un coordinador

Cuando un coordinador desea enviar datos a un dispositivo en una PAN con baliza

habilitada, indica en la baliza que va a enviar un mensaje. El dispositivo escucha



50

periódicamente la baliza de la red, y si un mensaje está pendiente, transmite una

instrucción MAC pidiendo los datos, usando CSMA-CA ranurado. El coordinador

asiente la recepción de la petición de datos transfiriendo una trama ack. Se envía la

trama pendiente usando CSMA-CA ranurado o, si es posible, inmediatamente después

del asentimiento. El dispositivo puede asentir la recepción de datos transmitiendo un

ack opcional. Al término se elimina el mensaje de la lista de mensajes pendientes

Figura 24. Transmisión desde un coordinador en una PAN con balizas

Cuando un coordinador desea enviar datos en una PAN con baliza deshabilitada,

almacena los datos para el dispositivo apropiado para hacer contacto y que éste le

solicite los datos. Un dispositivo debe tomar contacto transmitiendo un comando de

petición MAC usando CSMA-CA no ranurado, a su coordinador en un tipo de mensaje

definido por la aplicación. El coordinador asiente la recepción de la solicitación de

datos transmitiendo un ack. Si hay datos pendientes, el coordinador transmite los

datos, usando CSMA-CA sin ranurar. Si no hay datos pendientes para enviar, el

coordinador lo indicará en cualquiera de los asentimientos siguientes de la petición de

datos o en una trama de datos sin carga de datos útiles (payload). Si se solicita, el

dispositivo asiente la recepción de los datos transmitiendo un ack.

Figura 25. Transmisión desde un coordinador en una PAN sin balizas



51

3.3.2.3. Envío de datos entre dispositivos (peer-to-peer)

Todos los dispositivos deben comunicarse con los demás en su radio de influencia.

Con el fin de hacerlo de manera eficaz, los dispositivos que deseen comunicarse

necesitan recibir constantemente o sincronizarse con los demás.

3.3.3. Sincronización

En PANs que soportan balizas la sincronización es realizada recibiendo y

decodificando las tramas de las balizas. En las que no soportan balizas, la

sincronización es realizada por elección del coordinador.

3.3.3.1. Sincronización con balizas

En este tipo de redes (PANs con balizas habilitadas, macBeaconOrder < 15), todos los

dispositivos deben ser capaces de adquirir sincronización con el fin de detectar

cualquier mensaje pendiente o para seguir la baliza. Los dispositivos deben permitir la

sincronización por balizas sólo con las balizas que contengan el identificador de la

PAN (especificado en macPANId). Si el identificador que aparece es el de difusión

(0xffff) el dispositivo no intentara adquirir la sincronización por baliza.

Si un dispositivo se ha instruido para obtener la sincronización a través de balizas

(mediante la primitiva MLME-SYNC.request), el dispositivo deberá tratar de obtener la

baliza y el seguimiento de la misma mediante la activación periódica y oportuna de su

receptor. Si el seguimiento no se ha especificado, el dispositivo podrá optar por tratar

de obtener la baliza una sola vez o terminar el seguimiento después de la siguiente

baliza, si el seguimiento fue posible gracias a una petición anterior.

Para adquirir la sincronización por baliza, un dispositivo debe habilitar su receptor y

buscar como mucho durante [aBaseSuperframeDuration * (2n + 1)] símbolos, donde n

es macBeaconOrder. Si no se recibe ninguna trama de baliza con el identificador PAN

al que está asociado, el MLME repetirá la búsqueda. Si el número de búsquedas llega

a aaMaxLostBeacons, el MLME debe notificar a su capa superior usando la primitiva

correspondiente.

Si la sincronización por baliza está activada, el MLME activará su receptor antes de la

siguiente transmisión esperada, es decir justo antes del inicio de la siguiente

supertrama. Si el número de balizas consecutivas perdidas por el MLME alcanza el

valor aMaxLostBeacons, el MLME deberá responder con la primitiva MLME-sync-

Loss.indicacion a su capa superior.

3.3.3.2. Sincronización sin balizas

Todos los dispositivos operando con las balizas desactivadas tienen que ser capaz de

elegir un coordinador para los datos en la siguiente capa.

Un dispositivo es instruido para elegir el coordinador cuando el MLME recibe la

primitiva MLME-POLL.request. En la recepción de esa primitiva, el MLME debe buscar

el procedimiento para extraer los datos pendientes del coordinador.



52

3.3.4. Coordinación de transacción

Debido a que esta norma intenta reducir el consumo, los dispositivos estarán

alimentados por baterías. Dicho esto, cabe pensar que es lógico que las transacciones

estén promovidas por los dispositivos y no por los coordinadores, es decir, cualquier

coordinador debe indicar en su baliza cuándo hay mensajes pendientes para

dispositivos o los propios dispositivos necesitan elegir el coordinador para determinar

si ellos tienen mensajes pendientes. Estas transmisiones se llaman transacciones

indirectas

El coordinador tiene que comenzar la gestión de una transacción en la recepción de

una solicitud de transmisión indirecta, ya sea a través de la primitiva MCPS-

DATA.request o a través de una solicitud de la MLME para enviar un comando MAC

promovida por una primitiva de la capa superior, como la MLME –

ASSOCIATE.response. Al término de la transacción, el subnivel MAC deberá indicar

un valor de estado de la capa superior siguiente. Si una primitiva de solicitud es

instigada para la transmisión indirecta, la primitiva correspondiente a la confirmación

debe ser usada para transmitir el valor de estado apropiado. Por el contrario, si una

primitiva de respuesta pide la transmisión indirecta, para transmitir el valor de estado

apropiado se utiliza MLME-COOM-STATus.indication.

En una PAN con balizas habilitadas, un dispositivo que recibe una baliza conteniendo

su dirección en la lista de direcciones pendientes tiene que intentar extraer los datos

del coordinador. En una PAN con las balizas deshabilitadas, un dispositivo tiene que

intentar extraer los datos del coordinador en la recepción de la primitiva MLME-

POLL.request. Si el dispositivo recibe una señal con el subcampo Frame Pending a

uno, deberá dejar su receptor activado hasta macMaxFrameTotalWaitTime símbolos

para recibir la trama de difusión de datos del coordinador.



53



54

CAPÍTULO 4

Modelado de una

Estructura



55

4. MODELADO DE UNA ESTRUCTURA

En el presente epígrafe se realiza un estudio sobre las estructuras en las cuales se

debería instalar el sistema. El objetivo principal de éste epígrafe es determinar el

comportamiento (al menos en lo que se refiere a periodos o frecuencias

fundamentales) de un edificio.

Para corroborar los datos obtenidos del modelado y el correcto funcionamiento del

sistema, la instalación del sistema a desarrollar se debería realizar en dos tipos de

estructuras:

- Instalación del sistema de monitorización de salud estructural en un modelo a

escala que emule el comportamiento de un edificio real con el fin de evitar la

dificultad que supone trabajar en un edificio de grandes dimensiones en

comparación con un modelo a escala.

- Instalación del sistema en un edificio real con el fin de corroborar los

resultados obtenidos en el modelo a escala y, por supuesto, para que

desempeñe la función para la que es desarrollado: Monitorizar la Salud

Estructural.

4.1. MODELADO DE UNA ESTRUCTURA

Para el modelado de la estructura se ha usado principalmente la norma publicada en

el número 244 del BOE [14]. Éste documento nos proporciona los criterios para la

determinación de:

- Las masas del edificio a considerar en el cálculo

- Los periodos y modos de vibración de la estructura

- La respuesta de la estructura ante las acciones sísmicas resultantes de la

aplicación del capítulo 2 de dicha norma

- La verificación de la seguridad de la estructura.

Para el caso que nos atañe, principalmente nos centraremos en lo que tiene que ver

con el análisis en frecuencia de la estructura (además de la detección por cambios en

frecuencia y formas de modo también se evaluará la salud de la estructura mediante

coeficientes autorregresivos, que se explicará más adelante), pues el fin de este

documento no es el diseño de la estructura en sí, sino obtener un modelo del tipo de

estructura real (nosotros estudiaremos el caso de edificios que han de cumplir ciertas

características que se explicarán más adelante) que emule su comportamiento, para

así poder testear el sistema que se pretende diseñar.

4.1.1. Métodos de cálculo simplificados para los casos más usuales de

edificación

La norma usada para determinar el comportamiento de la estructura establece el

análisis de la estructura mediante espectros de respuesta como método de referencia,



56

aunque también permite el estudio dinámico por integración de registros de

aceleración.

Nos interesa un modelo simplificado que, a continuación, se expone. Este método solo

se podrá usar en edificios que cumplan las siguientes especificaciones:

- El número de plantas es inferior a veinte

- La altura del edificio sobre rasante es inferior a sesenta metros

- Existe regularidad geométrica en planta y en alzado, sin entrantes ni salientes

importantes

- Dispone de soportes continuos hasta cimentación, uniformemente distribuidos

en planta y sin cambios bruscos en su rigidez

- Dispone de regularidad mecánica en la distribución de rigideces, resistencias

y masas, de modo que los centros de gravedad y de torsión de todas las

plantas estén situados, aproximadamente, en la misma vertical

- La excentricidad del centro de las masas que intervienen en el cálculo sísmico

respecto al de torsión es inferior al 10% de la dimensión en planta del edificio

en cada una de las direcciones principales.

4.1.1.1. Modelo de la estructura

Este método se puede aplicar a modelos de estructuras que cumplan los requisitos

expuestos en el apartado 4.1.1. De este modo se podrán asimilar éstas construcciones

a un modelo unidimensional constituido por un oscilador múltiple con un solo grado de

libertad de desplazamiento por planta. Su análisis se realiza, en el caso simplificado, a

partir de un sistema de fuerzas horizontales que equivalen a las de los terremotos. (Se

desprecian las fuerzas verticales, aunque en casos de eventos sísmicos muy fuertes

pueden ser bastante importantes).

4.1.1.2. Métodos de detección de daños

Como ya se ha comentado, para testear el sistema, éste será instalado en una

maqueta a escala que emule el comportamiento de la estructura real. El

comportamiento se evaluará en diferentes condiciones de funcionamiento, bajo

diferentes niveles de daños, etc. Para la detección de daños podemos usar varios

algoritmos diferentes (aunque los métodos de detección de daños que se exponen a

continuación serán explicados detalladamente en sucesivos entregables, cabe

mencionarlos en este epígrafe para tenerlos presentes):

- Cambio de la frecuencia natural de la estructura [15]

Tal y como se comentaba en 2.2 la frecuencia fundamental de la estructura,

normalmente, baja a medida que se incrementan los daños. El problema está

en que esta frecuencia es proporcional a la raíz cuadrada de la rigidez de la

estructura, por lo que para notar un cambio significativo en la frecuencia

fundamental hemos de causar importantes daños en la estructura. El cálculo

de las frecuencias fundamentales se detalla en el epígrafe 4.1.1.2.1.

- Cambio de los modos de vibración [15]



57

Los modos de vibración cambian cuando la estructura en cuestión sufre

daños o está en condiciones de funcionamiento diferentes. Son más sensibles

a daños en la estructura que la frecuencia natural, por lo que parecen una

mejor solución.

La siguiente cuestión es decidir cuántos modos de vibración se han de

considerar en el análisis [14]:

El primer modo, si 𝑇𝐹 ≤ 0.75 𝑠

Los dos primeros modos si 0.75 𝑠 ≤ 𝑇𝐹 ≤ 1.25 𝑠

Los tres primeros modos si 𝑇𝐹 > 1.25 𝑠

Donde 𝑇𝐹 es el periodo fundamental de la estructura (el cálculo de este

parámetro se explica en el apartado 4.1.1.2.1).

Para considerar los efectos de los distintos modos se usa la siguiente

relación:

𝑇𝑖 =𝑇𝐹

(2𝑖 − 1)

- Algoritmo AR-ARX (Modelo de coeficientes autorregresivos y autorregresivos

con entradas exógenos) [15], [16].

Este algoritmo es más apropiado pues, básicamente, consiste en comparar

los datos obtenidos de las mediciones en un estado de salud estructural

desconocido y compararlos con los que hay almacenados en una base de

datos. Los datos de esta base de datos fueron adquiridos en un estado de

buena salud estructural y bajo diferentes condiciones de trabajo. Dicho esto

podemos decir que, teniendo una base de datos suficientemente amplia

podremos detectar daños en la estructura. Aunque es un modelo que requiere

más procesamiento de datos, es más fiable que la detección por cambios en

las frecuencias naturales o en las formas de modo. El funcionamiento del

algoritmo se resume en la siguiente imagen.

Figura 26. Algoritmo AR - ARX



58

Donde

- 𝑦𝑘 = 𝑏𝑖𝑦𝑦𝑘−𝑖

𝑝𝑖=1 + 𝑟𝑘

𝑦. Los coeficientes 𝑏𝑖

𝑦 son los coeficientes AR

- 𝛼𝑖 y 𝛽𝑖 son los coeficientes ARX

4.1.1.2.1. Cálculo del periodo fundamental de los edificios

4.1.1.2.1.1. Método 1

De forma simplificada podemos calcular el periodo fundamental de la estructura (y por

tanto la frecuencia) como [14]:

- Para edificios con muros de fábrica de ladrillo o bloques

𝑇𝐹 = 0.06𝐻 𝐻 (2𝐿 + 𝐻)

𝐿

- Edificios con pórticos de hormigón armado sin la colaboración de pantallas

rigidizadoras

𝑇𝐹 = 0.09𝑛

- Edificios con pórticos de hormigón armado con la colaboración de pantallas

rigidizadoras

𝑇𝐹 = 0.07𝑛 𝐻 (𝐵 + 𝐻)

- Edificios de pórticos rígidos de acero laminado.

𝑇𝐹 = 0.11𝑛

- Edificios de pórticos de acero laminado con planos triangulados resistentes.

𝑇𝐹 = 0.085𝑛 𝐻 (𝐵 + 𝐻)

Siendo:

𝐻: Altura de la edificación, sobre rasante, en metros.

𝑛: Número de plantas sobre rasante

𝐵: Dimensión de las pantallas rigidizadoras, o de los planos triangulados, en el sentido

de la oscilación, en metros

𝐿: Dimensión en planta de la edificación, en el sentido de la oscilación, en metros.

- Para el resto de edificios de hasta cuatro plantas podemos asumir que, para

el método simplificado, 𝑇𝐹 = 0.3 𝑠



59

Figura 27. Esquema de los diferentes tipos de estructuras

4.1.1.2.1.2. Método 2

Para el caso de construcciones con suelos rígidos podemos tomar otro modelo [17].

Figura 28. Esquema de construcciones con suelos rígidos

Consideramos que hay 𝑝 columnas en cada piso (en el caso que se muestra en la

Figura 28, 𝑝 = 2 )

𝜏0 = 4𝑕 𝑀(∆𝑕)

12 · 𝐸 · 𝐼 · 𝑝

Donde se ha considerado que la rigidez por planta es: 𝐺𝐴𝑠 =12 · 𝐸 · 𝐼 · 𝑝

(∆𝑕)2

Si las columnas no son iguales, pero están fabricadas con el mismo material, 𝐼 · 𝑝

debe ser reemplazado por 𝐼𝑖 para cada piso.

En el caso anterior tenemos que la masa del “suelo” superior es 𝑀/2. Si tenemos una

masa 𝑀 en tal piso:



60

𝜏𝑡 = 2𝜋 𝑛(∆𝑕)

12 · 𝐸 · 𝐼 · 𝑝

𝜏2 = 𝜏𝑜2 + 𝜏𝑡

2

Donde 𝜏 es el periodo fundamental, incluyendo la masa adicional.

4.2. INSTALACIÓN EN EL MODELO A ESCALA

La decisión de instalar primero el sistema en éste modelo se justifica por las

siguientes razones:

- Instalar el sistema desarrollado directamente sobre la estructura real significa

una importante inversión económica, pues para tal caso se debería disponer

de la estructura real sin conocer la viabilidad del sistema.

- El modelo a escala permite realizar modificaciones sobre él, así como

pruebas destructivas sin suponer ningún coste de gran magnitud,

económicamente hablando. De esta forma es posible evaluar el

comportamiento de la estructuras en diferentes condiciones de salud.

- El comportamiento de la estructura real sólo podemos evaluarlo cuando ésta

se encuentra en un buen estado de salud, pues de lo contrario la instalación

del podría resultar peligroso. Otra opción sería instalar el sistema en la

estructura real en condiciones saludables y posteriormente causarle daños,

pero de nuevo, esto resulta muy costoso desde el punto de vista económico.

4.2.1. Objetivo

Los objetivos perseguidos en la instalación del sistema, en el modelo que emula el

comportamiento de las estructuras a tamaño real, son los siguientes [18]-[24]:

- Comprobación de que la estructura de la red de sensores se realiza de forma

correcta

- Verificación de la correcta comunicación entre dichos sensores.

- Calibración de los sensores instalados

- Analizar la precisión de los algoritmos de detección de daños utilizados. El

estudio de estos algoritmos se realizará en posteriores informes.

- Comprobación del correcto funcionamiento del sistema como conjunto

- Comprobar que los resultados obtenidos son muy próximos a los calculados

teóricamente



61

4.3. INSTALACIÓN EN EL EDIFICIO REAL

4.3.1. Objetivo

Una vez que hemos realizado la instalación (y el testeo del sistema) en el modelo

escalado y el funcionamiento del sistema es correcto pasamos a instalarlo en un

edificio real (que cumpla con las especificaciones del epígrafe 4.1.1) con los siguientes

fines:

- Comprobar que la comunicación entre sensores es correcta. Este punto es

importante, pues en este caso las distancias son mayores y las

comunicaciones deben soportar las atenuaciones producidas por los muros

- Corroborar que los datos obtenidos se ajustan a los calculados teóricamente

mediante los modelos simplificados expuestos anteriormente.



62



63

CAPÍTULO 5

Propuesta de

especificaciones para un

sistema SHM



64

5. PROPUESTA DE ESPECIFICACIONES

PARA UN SISTEMA SHM

El objetivo de este epígrafe no es otro que proponer una serie de especificaciones mínimas a cumplir por el hardware del sistema para, partiendo de ahí, poder implementar el sistema.

En la mayoría de los casos, estas especificaciones se obtienen realizando simulaciones de la estructura que se desea monitorizar. A dicha estructura se le provocan diferentes niveles daños (en la simulación) y se comprueba la resolución del sistema. Si la respuesta no es la esperada se imponen a los componentes hardware unas características más restrictivas, hasta que se obtiene la respuesta esperada.

Hasta la fecha, para la realización de este proyecto, no se dispone de ninguna estructura ni de las herramientas de simulación y por tanto no es posible simularla por lo que se tratará de buscar unas especificaciones mínimas a cumplir por el hardware a partir de otros sistemas de Monitorización de Salud Estructural (SHM) desarrollados y de una serie de razonamientos.

Lo primero será especificar qué bloques hardware se incluirán en el sistema para poder establecer las especificaciones de los mismos.

El modelo es el que a continuación se presenta.

Figura 29. Esquema de bloques de un nodo

Basándonos en el modelo propuesto, las características en las que hemos de fijarnos de cada dispositivo serán:

- Sensores. o Acelerómetros

Alimentación Rango Sensibilidad

o Termómetros Rango

o Anemómetros Rango

- ADC o Frecuencia de digitalización o Resolución o Número de canales



65

- Procesador o Frecuencia o Nº bits

- Memoria o RAM o FLASH

- Transceptor RF o Alcance o Tasa de datos

5.1. PROPUESTA DE ESPECIFICACIONES

5.1.1. Obtención de las especificaciones

En este apartado se tratará de buscar unas especificaciones a cumplir mínimas para los componentes hardware del sistema de monitorización.

- Sensores. Primero de todo cabe decir que son muchos los tipos de sensores que se pueden instalar en el sistema (acelerómetros, termómetros, anemómetros, sensores de desplazamiento, sensores de humedad, etc.) pero en nuestro caso nos centraremos en acelerómetros. A partir de acelerómetros y usando el algoritmo AR-ARX (que se resume en el apartado 4.1.1.2) se puede conocer el estado de la estructura sin necesidad de tener información acerca de las condiciones ambientales. Si fuese necesario se añadirían al sistema termómetros y anemómetros, por lo que también se realizará el estudio para las especificaciones de estos sensores.

o Acelerómetros.

Alimentación: Este es un parámetro general para todos los componentes del sistema. Uno de los objetivos de este proyecto es que los dispositivos sean de bajo consumo. Por tanto, nos interesa un valor de tensión (y de corriente) de alimentación lo más bajo posible, así una primera estimación puede ser tomar valores entre 3 y 5 V aproximadamente.

Rango dinámico: Según [24], para monitorizar grandes estructuras, es suficiente con un rango dinámico de unas 2g, es decir, [-1g, 1g]. En nuestro caso tomaremos un rango del doble de magnitud para asegurarnos que tenemos suficiente rango, esto es [-2g, 2g].

Sensibilidad: Al igual que se ha hecho para la determinación de rango dinámico, para la determinación de la sensibilidad nos basaremos en la bibliografía. Así en [26] se utiliza el CXL01LF1 que tiene un ruido de 0.5 mg9 (depende del ancho de banda). Realizando una serie de pruebas, en el Puente Cañón de

9 La sensibilidad vendrá dada, en gran parte, por el nivel de ruido pues no tiene sentido de

hablar de una sensibilidad por debajo del nivel de ruido ya que no podrá ser medida.



66

Alamosa, se obtuvieron las siguientes gráficas, correspondientes a la aceleración y a la respuesta en frecuencia (Figuras 30 y 31).

Figura 30. Acelerograma Cañón Alamosa

Figura 31. Respuesta en frecuencia Cañón Alamosa

En [27] se utiliza el acelerómetro CXL02LF1 de unas características similares. En este mismo artículo se realiza una comparación entre la aceleración medida y la teórica (en la tercera planta de la estructura montada) en la que se puede apreciar un gran parecido entre ambas señales (Figura 32).



67

Figura 32. Prueba de laboratorio

Por tanto, una precisión adecuada estará en torno a 0.5mg - 1mg aproximadamente.

Por otro lado, las figuras mostradas también sirven para corroborar que el rango dinámico elegido para los acelerómetros es correcto, pues en ninguno de los casos se sobrepasan los límites establecidos.

o Termómetros

Rango: En principio el único requisito para los termómetros (además de la restricción de la tensión de alimentación) es el rango de medidas. Esto dependerá de la zona geográfica donde que desee instalar el sistema. Así, un rango adecuado para el territorio español es [-40o, 80o].

o Anemómetro

Rango: Teniendo en cuenta que en España la velocidad media del viento raramente supera los 50 km/h y que en alguna ocasión, aunque en pocas ocasiones, éstas velocidades han estado por encima de los 180 km/h [28], parece una buena estimación disponer de un anemómetro con rango de medida [10 km/h - 280 km/h].

- Convertidores Analógico Digital

o Frecuencia de muestreo. Las frecuencias de interés (se refiere a las frecuencias fundamentales de la estructura), para la monitorización de salud estructural, suelen ser las bajas, así como las primeras formas de modo. Estas frecuencias de interés, no suelen estar más allá de algunas decenas de Hz, unos 30 Hz o 40 Hz. A la hora de digitalizar y



68

teniendo en cuenta el Teorema de Nyquist – Shannon, la frecuencia de muestreo debería estar en unos 70 u 80 Hz.

Un factor a tener en muy en cuenta es que las estructuras son amortiguadas. Si la estructura es fuertemente amortiguada la respuesta en frecuencia ante una excitación se atenúa rápidamente, luego el tiempo de ventana para poder muestrear es muy corto (puede ser menor de 1 segundo), por lo que hay que aumentar más la frecuencia para tener un número significativo de muestras y así poder realizar un análisis fiable [29]. Estaríamos hablando de unas frecuencias de muestreo de unos 200 Hz.

También existe la posibilidad de realizar un suavizado (promediado de la señal). Esto será posible si aumentamos la frecuencia de muestreo y así poder realizar sobremuestreo sobre la señal que se quiera digitalizar. Un factor de sobremuestreo Sover=10 supone una reducción del ruido en un factor Sover

1/2=3.16 [30]. Por tanto una frecuencia de muestreo adecuada puede ser 1 kHz.

o Resolución. Suponiendo que el rango dinámico elegido (4g) y la resolución (0.5 mg – 1 mg) son adecuados y teniendo en cuenta que la

sensibilidad de los acelerómetros está en torno a 300 𝑚𝑉 𝑔 , el cálculo

del número de bits necesarios para el ADC es simple.

4 𝑉

211= 1.953125

𝑚𝑔𝑏𝑖𝑡

4 𝑉

212= 0.9765625

𝑚𝑔𝑏𝑖𝑡

Por tanto una buena estimación para el número de bits será 𝑁 = 12. Este parámetro podrá variar en función de la sensibilidad del acelerómetro escogido, su rango dinámico, su nivel de ruido (que depende del ancho de banda), etc.

o Número de canales. Ya que se utilizarán acelerómetros tri-axiales, lo

adecuado es utilizar convertidores con el mismo número de canales. Un

canal por cada dimensión.

- Procesador

No se dispone de datos suficientes para establecer unos mínimos para un procesador, pero sí que se dispone de información sobre algunos sistemas desarrollados, instalados y testeados (y de los procesadores que se utilizan). Para establecer las características del procesador se hará uso de la información que se comentaba al respecto en el Estado del Arte, pues las necesidades computacionales del sistema que se está desarrollando en el presente proyecto son similares a las de los sistemas en los que se basa éste.

Los procesadores comúnmente utilizados y sus características más relevantes son las que a continuación se muestran (en posteriores epígrafes se detallarán



69

algunos de los sistemas completos en los que se utilizan estos microcontroladores, otros ya fueron desarrollados en el informe del Estado del Arte) [31]:

o La placa MICA2 (ya mencionada en otros entregables) hace uso del bloque MPR400 (procesador más transceptor radio). El procesador en el que está basado es el Atmel ATmega128L que presenta las siguientes características:

Bus de datos de 8 bits Hasta 16 MIPS a 16 MHz (solo se puede alcanzar con el

ATmega128) 128 kB de memoria Flash 4 kB de memoria EEPROM 4 kB de memoria SRAM Posible ampliación de memoria hasta 64 kB de memoria externa Interfaz SPI 8 canales ADC de 10 bits 6 modos de ahorro de energía (Ocioso, Reducción de ruido

ADC, Power-save, Apagado, Standby y Standby extendido) Frecuencia del microcontrolador programable por software Voltaje de 2.7 a 5.5 V. Trabaja de 0 a 8 MHz. Consumo: 15 mA trabajando a 8 MHz

o La placa MICAZ hace uso del bloque MPR2400CA, que al igual que el MPR400 está basada en el microprocesador Atmel ATmega128L.

o Atmel AT90S8515 AVR Procesador de 8 bits Hasta 8 MIPS a 8 MHz 8 kB de memoria Flash 512 Bytes de memoria SRAM 412 Bytes de memoria EEPROM Consumo

Activo: 3 mA

Modo ocioso: 1 mA

Apagado: < 1 mA Voltaje entre 2.7 y 6 V Trabaja de 0 a 8 MHz dependiendo del modelo (AT90S8518-4 ó

AT90S8515-8).

o Motorola MPC555 Se suele utilizar de apoyo a un microcontrolador de bajo

consumo Procesador de 32 bits 448 kB de memoria EEPROM 26 kB de memoria SRAM Rango de voltaje: 4V a 6V Trabaja a 40 MHz



70

o Atmel ATmega163L Bus de 8 bits Hasta 8 MIPS a 8 MHz 4 modos de ahorro de energía: Ocioso, Reducción de ruido

ADC, Power-save y apagado 16 kB de memoria Flash 512 Bytes EEPROM 1024 Bytes de memoria SRAM Convertidor analógico-digital de 8 canales y 10 bits Interfaz SPI Consumo

Activo: 5mA

Modo Ocioso: 1.9mA

Apagado < 1µA Rango de voltaje: 2.7V – 5.5V Velocidad: 0 – 4 MHz

o MicroChip PIC16F87 Bus de 8 bits Modo de ahorro de energía Rango de voltaje: 2V – 5.5V 4 kB de memoria Flash Memoria RAM:

PIC16F873, 4: 192 bytes

PIC16F876, 7: 368 bytes Memoria EEPROM:

PIC16F873, 4: 128 bytes

PIC16F876, 7: 256 bytes Bajo consumo

<0.6 mA a 3V, 4 MHz

20 µA a 3V, 32 kHz

<1 µA en standby Convertidor analógico-digital multicanal de 10 bits Interfaz SPI Interfaz I2C Interfaz PSP (puerto paralelo) de 8 bits

o Texas Instruments MSP430F1611 Arquitectura de 16 bits Convertidor analógico-digital de 12 bits Convertidor digital-analógico de 2 canales de 12 bits Interfaz SPI Interfaz I2C 48 kB de memoria Flash 256 bytes de memoria EEPROM 10 kB de memoria RAM Rango de voltaje: 1.8V – 3.6V Cinco modos de ahorro de energía Consumo ultra bajo

Modo activo: 330 µA a 1 MHz, 2.2 V

Modo standby: 1.1µA



71

- Memoria Al igual que ocurre con los microprocesadores, para las memorias no se dispone de unas necesidades mínimas, todo dependerá del algoritmo que se decida utilizar, la cantidad de datos que se desee almacenar, el tamaño de los propios datos, el tamaño del Sistema Operativo, del software que se quiera instalar, etc. De los modelos presentados en el Estado del Arte obtenemos las siguientes especificaciones de memoria:

o No volátil (Flash o Flash más EPROM ó EEPROM)

128 kB son suficientes para almacenar un algoritmo de procesado de señales como es la FFT [26], a menos que se use algún algoritmo que ocupe más memoria. En cualquier caso, si ocupa más memoria habría que utilizar otro microcontrolador con una capacidad de memoria de programa superior o conectar una memoria no volátil externa, si fuera posible (por ejemplo el microcontrolador MPC555 de Motorola).

o Volátil (RAM, SRAM, DRAM, ó alguna variante)

El micro Atmel ATmega128L cuenta con 4 kB SRAM y se ha utilizado en varios sistemas [26], [27], [29], etc., siendo suficiente ésta capacidad, por lo que parece una buena estimación. Por el contrario en otro de los sistemas que se exponen en los próximos puntos, se ha añadido una memoria externa de 128 kB SRAM para almacenar los datos medidos, pues no es suficiente con la memoria que proporciona el microcontrolador (4 kB). Por tanto no se puede hacer una estimación exacta hasta que no esté seleccionado el microcontrolador, el Sistema Operativo, el algoritmo de evaluación, la cantidad de medidas a almacenar, el tamaño de las medidas, etc.

- Transceptor.

En cuanto al transceptor hay dos aspectos principales a tener en cuenta (además del consumo de potencia) como son el alcance y la tasa de datos.

o Alcance. Este es un factor determinante, pues los nodos deben comunicarse entre ellos (o con su nodo servidor). En las tablas de características que se presentaron en el Estado del Arte se puede apreciar claramente que el alcance de los enlaces radio depende notablemente de la frecuencia de trabajo. Así tenemos tres frecuencias de trabajo posibles: 2.4 GHz, 915 y 868 MHz (IEEE 802.15.4). Si de nuevo nos fijamos en las tablas anteriormente mencionadas, los transceptores que trabajan a 2.4 GHz son adecuados para espacios exteriores, mientras que para espacios interiores son más adecuados los transceptores que trabajan a 915 o 868 MHz. Esto se corrobora con el estudio presentado por Barry McLarnon en 1997. Según esto, las



72

pérdidas básicas de propagación (en una comunicación ideal y libre de obstáculos) para un enlace radio son:

𝐿𝑝(𝑑𝐵) = 32.4 + 20 log𝑓 + 20 log𝑑

Donde 𝑓 es la frecuencia en MHz y 𝑑 es la distancia en km.

En nuestro caso estamos tratando de realizar enlaces radio en el interior de un edificio, por lo que a las pérdidas básicas de propagación habría que sumar las atenuaciones que se producen al atravesar los muros y otros efectos.

Por tanto, parece más apropiado utilizar un transceptor que trabaje en la banda de los 915 o 868 MHz.

o Tasa de datos. Al igual que el alcance era un factor muy importante, la tasa de datos no es necesario que sea muy alta, pues mientras más alta es la tasa de datos, supone mayor consumo de energía, lo cual va en contra de los objetivos de este proyecto. Por tanto, para este parámetro, el transceptor tan sólo debe limitarse a transmitir información a la tasa que indique el protocolo de comunicación que se utilice.

El estándar que posiblemente se utilice para las comunicaciones es el IEEE 802.15.4. Éste estándar, para la banda de los 868 MHz, soporta comunicaciones de hasta 20 kbps. Ésta será nuestra referencia.

5.1.2. Algunos diseños propuestos

En este punto se exponen algunos diseños propuestos con el fin de corroborar que las especificaciones que se han obtenido en el epígrafe anterior (5.1.1) son similares a las de los algunos de los sistemas que se han desarrollado a lo largo de la historia de la Monitorización de la Salud Estructural.

5.1.2.1. Sistema propuesto por J. P. Lynch, A. Sundararajan, K. H. Law, A. S. Kiremidjian, E. Carryer, H. Sohn, C. R. Farrar en 2003.

El modelo propuesto se muestra en la siguiente figura [27].

Figura 33. Modelo I

Como se puede ver el modelo está dividido en tres subsistemas.



73

El primer subsistema se corresponde con la interfaz de sensado. Éste representa la parte del nodo que se refiere a la adquisición de datos. Se aprecia que se diseño una interfaz de adquisición de datos múltiple. Por un lado se conecta, a través del puerto serie del microprocesador, al núcleo un ADC de 16 bits y un canal para conectar los sensores analógicos y por otro lado se dispone de otros dos canales de entrada. El ADC utilizado en este diseño es Texas Instruments ADS7821 y presenta las siguientes características.

- Texas Instruments ADS7821.

Parámetro ADS7821

Min. Tip. Max.

Resolución 16 bits

Número de canales 1

Entrada analógica

Voltaje 0 a 5 V

Impedancia 10 kΩ

Salida

Ciclo de conversión

10 µs

Tasa de salida 100 kHz

Precisión DC

Ruido de transmisión

0.9 LSB

Full Scale Error ±0.5 %

Precisión AC

Distorsión armónica total

-90 dB

Relación señal a ruido

83 dB

Entradas digitales

VIL -0.3 V 0.8 V

VIH 2 VD+0.3 V

IIL ±10 µA

IIH ±10 µA

Alimentación

VDIG 4.75 V 5 V 5.25 V



74

VANA 4.75 V 5 V 5.25 V

IDIG 0.3 mA

VANA 16 mA

Tabla 6. ADS7821

El siguiente subsistema es el núcleo computacional. Este subsistema es el responsable del funcionamiento global de los sensores. Los datos medidos se almacenan en la memoria disponible para su posterior tratamiento. En este caso, para lograr un equilibrio entre las capacidades computacionales y el consumo se integran dos micros. Uno de ellos es el Atmel AVR AT90S8515 de 8 bits, el cual es seleccionado por su bajo costo y sus características de eficiencia energética. El otro microcontrolador es el Motorola MPC555 PowerPC de 32 bits. Este micro dispone de 448 kB de memoria Flash y 26 kB de RAM, lo que significa que tiene una capacidad alta para almacenamiento de datos medidos. Además el MPC555 proporciona una alta capacidad computacional. Este microcontrolador se mantendrá apagado mientras no se requieran procesados potentes de información (para minimizar el consumo de energía) y mientras tanto, sólo estará activo el Atmel.

- Atmel AVR AT90S8515

Ver epígrafe 5.1.1.

- Motorola MPC555

Ver epígrafe 5.1.1.

El tercer subsistema que compone el modelo es el Transceptor Inalámbrico. Se trata del Proxim RangeLAN2. Opera en la banda ISM a 2.4 GHz transmitiendo a tasas de hasta 1.6 Mbps y con un alcance de hasta 1000 m en espacio abierto, y unos 140 m en espacios edificados. En cuanto a la fiabilidad de transmisión de los datos, hay que destacar que se utiliza la técnica de espectro expandido con salto en frecuencia (FHSS).

5.1.2.2. Sistema propuesto por Y. Wang, J. P. Lynch y K. H. Law en 2005.

Al igual que en el anterior diseño, el nodo se divide en tres módulos funcionales: La parte de adquisición de datos, el núcleo y el transceptor inalámbrico [26].

Figura 34. Modelo II



75

En este caso, para el módulo de adquisición de datos se selecciona el convertidor ADS8341 de Texas Instruments. Este ADC presenta las siguientes características.

Si la alimentación es 5V:

Parámetro ADS8341

Min. Tip. Max.

Resolución 16 bits

Número de canales

4

Rendimiento

Error de offset 2 mV

Salida


Características dinámicas


-90 dB

Relación Señal-(Ruido+Distorsión)

86 dB

Aislamiento entre canales

100 dB

Entradas digitales

VIL -0.3V 0.8V

VIH 3V 5.5V

VOL 0.4V

VOH 3.5V

Tabla 7. ADS8341alimentado a 5V

Si la alimentación es 2.7V

Parámetro ADS8341

Min. Tip. Max.

Resolución 16 bits

Número de canales

4



76

Rendimiento

Error de offset 1 mV

Salida


Características dinámicas


-90 dB

Relación Señal-(Ruido+Distorsión)

86 dB

Aislamiento entre canales

100 dB

Entradas/Salidas digitales

VIL -0.3V 0.8V

VIH 1.89V 5.5V

VOL 0.4V

VOH 2.16V

Tabla 8. ADS8341 alimentado a 2.7V

Para controlar los diferentes elementos hardware del nodo y realizar el procesamiento de datos se hace uso de un microcontrolador de bajo consumo como es el Atmel ATmega128L. Para conocer algunas especificaciones ver epígrafe 5.1.1. Este microcontrolador da la posibilidad de utilizar una memoria externa de 64 kB. En este diseño se conecta una memoria RAM externa de 128 kB para almacenar datos de medidas, pudiéndose seleccionar los 64 kB superiores o los 64 kB inferiores.

Para la transmisión de información inalámbrica se elige el transceptor MaxStream 9XCite porque provee un alcance relativamente alto consumiendo poca cantidad de energía.

MaxStream 9XCite

Rendimiento

Interior / Urbano Hasta 90 m

Exterior Hasta 300 m

Potencia de salida 4 mW (6dBm)

Tasa de salida 9600 bps 38400 bps

Sensibilidad -108 dBm -104 dBm

Alimentación Tensión Alimentación 2.85 – 5.5 VDC

Corriente en transmisión 55 mA



77

Corriente en recepción 35 mA

Corriente apagado < 20 µA

General

Dimensiones 4.06cm x 7.18 cm x 0.89

cm

Peso 24g

Temperatura de operación 0 – 70 Co

Red y seguridad

Frecuencia de trabajo ISM 902 – 928 MHz

Topologías soportadas Peer-to-Peer, Punto a Multipunto, Multipunto

Número de canales

7 canales para frequency hopping y 25 canales para transmisiones en una sola

frecuencia

Tabla 9. Transceptor MaxStream 9XCite

5.1.2.3. Sistema diseñado por J. Wu, S. Yuan, X. Zhao, Y. Yin y W. Ye en 2007.

De nuevo el sistema se asemeja a los 2 mostrados anteriormente, constando de los mismos bloques funcionales [32].

Figura 35. Modelo III

Como microprocesador se usa de nuevo el ATmega128 de Atmel, al que también se le añade una memoria externa para conseguir un mayor almacenamiento de las medidas



78

tomadas a lo largo del tiempo. En este caso el transceptor inalámbrico que se utiliza es el TI CC1000 RF, cuyas características se exponen más adelante (4.5.).

5.2. PROPUESTA DE COMPONENTES HARDWARE

5.2.1. Acelerómetro

Como acelerómetro se propone el modelo ADXL335 de Analog Devices. Se selecciona este acelerómetro porque cumple con los requisitos propuestos en el epígrafe correspondiente (5.1.1). Sus características son:

Parámetro Condición ADXL335

Min. Tip. Max.

Entrada

Rango de medida ±3g ±3.6g

No linealidad % del fondo de

escala ±0.3%

Sensibilidad

Sensibilidad en los 3 ejes

Vs=3V 270mV/g 300mV/g 330mV/g

Dependencia con la temperatura

Vs=3V ±0.01 %/oC

Ruido

Densidad de ruido en ejes X e Y

Vs=3V 150µg/ 𝐻𝑧

Densidad de ruido en eje Z

Vs=3V 300µg/ 𝐻𝑧

Frecuencia

Ancho de banda ejes X e Y

Según condensador de

salida 0.5 Hz 1600 Hz

Ancho de banda eje Z Según

condensador de salida

0.5 Hz 550 Hz

Alimentación

Voltaje 1.8 V 3.6 V

Corriente Vs=3V 350 µA

Temperatura

Rango de operación -40 µA 85 µA

Tabla 10. ADXL335



79

5.2.2. Termómetro

El modelo de termómetro a instalar en el sistema, en caso de que fuera necesario es el TMP105 de Texas Instruments. Se trata de un cuyas características principales son las siguientes.

Parámetro Condición TMP105

Min. Tip. Max

Entrada de Temperatura

Rango -40 oC 125oC

Precisión -25 oC a 85 oC ±0.5 oC ±2 oC

-40 oC a 125 oC ±1 oC ±3 oC

Resolución Seleccionable 0.0625

oC

Entradas/Salidas Digitales

VIH 1.2V 6V

vIL -0.5V 0.6V

Resolución Seleccionable 9 a 12

Bits

Tiempo de conversión

9 Bits 27.5ms 37.5ms

10 Bits 55ms 75ms

11 Bits 110ms 150ms

12 Bits 220ms 300ms

Tiempo de salida 25ms 54ms 74ms

Alimentación

Rango operación 2.6V 3.3V

Corriente de reposo

Bus serie inactivo 50µA 85µA

Bus serie activo, Frec=400kHz

100µA

Corriente de apagado

Bus serie inactivo 1.5µA 3µA

Bus serie activo, Frec=400kHz

60µA

Rango de temperatura

Rango específico -40 oC 125 oC

Tabla 11. TMP105



80

5.2.3. Anemómetro

Como anemómetro se ha seleccionado el Ornytion 107, pues sus características se ajustan a las buscadas. Éstas son:

Ornytion 107

Generales

Función de transferencia V(m/s)=0.14+0.62·f(Hz)

Rango de operación 0 a 60 m/s

Rango de temperatura -25 a 60 oC

Umbral de arranque 0.3 m/s

Precisión 0.03 m/s

Eléctricas

Amplitud de salida Onda senoidal de 2VPP a 50 Hz

Frecuencia de salida 50 Hz=31.14 m/s

Tabla 12. Ornytion 107

5.2.4. ADC

El convertidor analógico-digital que se propone es el ADS115 de Texas Instruments. Presenta las siguientes características.

Parámetro Condición ADS1115

Min. Tip. Max

Rendimiento

Resolución Sin pérdidas 16 Bits

Tasa de muestreo

8, 16, 32, 64, 128, 250, 475

ó 860 samples/s

Variación de tasa de muestreo

Para todas las tasas -10% 10%

Número de canales Diferenciales 1 2

Simples 1 4



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Entradas/Salidas Digitales

VIH 0.7

VDD 5.5 V

VIL GND-0.5V

0.3VDD

VOL IOL=3mA GND 0.15V 0.4V

IH

IL

Alimentación

Voltaje 2V 5.5V

Corriente Apagado a 25oC 0.5µA 2 µA

Apagado a 125oC 5 µA

Operando a 25oC 150 µA 200 µA

Operando a 125oC 300 µA

Potencia disipada VDD=5V 0.9mW

VDD=3.3V 0.5mW

VDD=2V 0.3mW

Temperatura

Rango de operación -40oC 125oC

Tabla 13. ADS1115

5.2.5. Microprocesador

Como se comentaba anteriormente, no es posible seleccionar un microprocesador concreto asegurando un máximo rendimiento con un mínimo consumo, debido a que dependerá de multitud de factores que aún no se han resuelto, como la selección del Sistema Operativo, de los convertidores ADC, de la cantidad de datos que se quieran tomar, del tamaño de estos datos, del consumo que estemos dispuestos a aceptar, etc. Según [27], el microcontrolador Atmel ATmega128 dispone de una cantidad de memoria suficiente como para almacenar el Sistema Operativo y algoritmos para realizar, transformadas de Wavelet, FFT, etc. El algoritmo que en nuestro caso implementaremos será AR-ARX, que según [33] requiere más capacidad de procesado que la FFT. Si no se pudiese realizar con este micro se seleccionaría otro más potente u otro microprocesador de refuerzo a éste. Por ejemplo el MPC555, que es el que se utiliza en [33].

5.2.6. Transceptor inalámbrico

Anteriormente se justificó utilizar transceptores de 868 MHz, por lo que nos centraremos en alguno que trabaje a esta frecuencia. En el epígrafe 5.1.2.2. se presentó el transceptor 9XCite. A continuación presentamos un transceptor que



82

presenta similares características, además de un menor consumo, se trata del TI CC1000 RF de Texas Instruments

Parámetro Condición CC1000

Min Tip Max

Frecuencia RF Programable en pasos

de 250 MHz 300 MHz 1000 MHz

Alimentación Misma para analógico

y digital 2.1 V 3 V 3.6 V

Transmisión

Tasa de datos 0.6 kBaud 76.8 Kbaud

Potencia de salida 433 MHz -20 dBm 10 dBm

868 MHz -20 dBm 5 dBm

Recepción

Sensibilidad (11.8 mA) 868 MHz -107 dBm

IP3 entrada -18 dBm

Consumo de corriente

Apagado 0.2 uA 1uA

Recibiendo La corriente es

programable para mejorar la sensibilidad

7.4/9.6

mA

Transmitiendo

0.01 mW (-20 dBm) 5.3/8.6

mA

0.3 mW (-5 dBm) 8.9/13.8

mA

1 mW (-0 dBm) 10.4/16.5

mA

3 mW (5 dBm) 14.8/25.4

mA

10 mW (10 dBm) 26.7 mA

Tabla 14. TI CC1000 RF



83



84

CAPÍTULO 6

Conclusiones y Líneas

Futuras de Investigación



85

6. CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS

DE INVESTIGACIÓN

6.1. CONCLUSIONES 6.1.1. Análisis del trabajo realizado

Del estudio realizado se desprende, como conclusión principal ,que es muy

complicado diseñar un Sistema SHM general, es decir, apropiado para cualquier

estructura civil. Esto es debido a que cada estructura puede comportarse de una

manera diferente y por tanto, por un lado, los dispositivos hardware y, por otro, los

algoritmos de detección y localización, deberán ser elegidos específicamente para esa

estructura. Prueba de ello es que hay multitud de sistemas desarrollados (y validados)

y a día de hoy siguen apareciendo nuevos sistemas, (con nuevos componentes

harware y nuevos algoritmos) síntoma evidente de que no es suficiente con lo que

existe.

Otra conclusión extraída de este proyecto es la evidente progresión de las Tecnologías

de Monitorización de la Salud Estructural. Este campo se está haciendo tan importante

que ya se están diseñando elementos hardware orientados principalmente a este tipo

de tecnologías.

Tras la realización de este Proyecto, creo que se han adquirido suficientes

conocimientos para poder inicializarse en el desarrollo de sistemas para la

Monitorización de la Salud Estructural.

6.1.2. Objetivos alcanzados

- Estudio del Estado del Arte en las Structural Health Monitoring.

o Se ha realizado un estudio bastante amplio y detallado del Estado del

Arte en el que se han analizando la historia de los sistemas SHM, las

tecnologías utilizadas (así como cada uno de los componentes) y se

han mostrado la mayoría de los sistemas desarrollados hasta la fecha.

Este objetivo se ha cumplido.

- Estudio del estándar IEEE 802.15.4.

o Se ha realizado un análisis del estándar IEEE 802.15.4, debido a que

parece la mejor solución para la comunicación entre nodos. Gracias a

ellos se han podido proponer algunos elementos hardware como los

transceptores inalámbricos. Este objetivo se ha cumplido

- Modelado de un edificio

o Se ha realizado un estudio en el que se muestra cómo realizar el

modelado de un edificio, el cual es muy útil de cara a la implementación

del sistema en un edificio real. Este objetivo se ha cumplido

- Estudio detallado de los diferentes algoritmos para la detección, identificación y

localización de daños en estructuras



86

o Se ha realizado un estudio general de los algoritmos utilizados para la

detección, localización e identificación de daños estructurales. Incluso

se ha profundizado en alguno de ellos, los cuales pueden ser los más

interesantes de cara a la hora de realizar la implementación del sistema

que se propone. No obstante el resto de algoritmos no se ha podido

analizar en profundidad, principalmente, por falta de documentación y

difícil acceso a la documentación disponible. Por otro lado cabe decir

que estos algoritmos que no se han estudiado en detalle se mueven

fuera del campo que compete a las Telecomunicaciones, por lo que fue

muy complicado poder comprender apenas la idea general de éstos.

Por estas razones creo que este objetivo se ha cumplido.

- Propuesta de especificaciones para un sistema SHM

o Se ha propuesto un sistema compuesto por una serie de módulos

funcionales y se han obtenido una serie de especificaciones para éstos

módulos. En este punto hay que comentar que las especificaciones

propuestas podrían variar en función de algunas decisiones tomadas

(como el tamaño de los datos, el algoritmo elegido, etc.). En cualquier

caso, las especificaciones que se seleccionen para un la monitorización

de un edificio concreto no variarán en exceso de las propuestas en este

Proyecto, por lo que este objetivo se ha cumplido.

6.2. LÍNEAS FUTURAS DE INVESTIGACIÓN Como líneas futuras de investigación se proponen básicamente la continuación de

este Proyecto hasta la instalación del sistema:

- Estudio detallado de los diferentes algoritmos de detección de daños,

analizando minuciosamente la carga computacional y de memoria necesaria

para poder ejecutarlos correctamente. Esto puede ser muy útil de cara a

seleccionar el hardware óptimo para el sistema.

- Diseño de una red basada en IEEE 802.15.4.

- Implementación de la Red y de los Protocolos necesarios.

- Implementación de los algoritmos SHM.

- Testeado y validación del sistema.



87



88

CAPÍTULO 7

Bibliografía



89

7. BIBLIOGRAFÍA [1] Los Alamos National Laboratory Report, LA-13976 – MS, 2003 “A Review of Structural Health Monitoring Literature: 1996 –

2001” [2] J. P. Lynch y K. J. Loh. “ A Summary Review of Wireless Sensors and Sensor Networks for Structural Health Monitoring” [3] http://www.sics.se/contiki/ [4] Isis Canada – September 2001 “Guidelines for Structural Health Monitoring” [5] Peter C.Chang, Alison Flatau y S.C.Liu. “Review Paper: Health Monitoring of Civil Ingrastructure” [6] Y. Zou, L. Tong y G.P. Steven, 2000. “Vibration-based model-dependent damage (delamination) identification and health

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Using Wireless Sensor Networks” [12] S. W. Doebling, C. R. Farrar y M. B. Prime. “A summary review of vibration-based damage identification methods”. [13] S. Kim, S. Pakzad, d. Culler, J. Demmel, G. Fenves, S. Glaser, M. Turon. “Health Monitoring of Civil Infrastructures Using

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Stochastic Functionally Pooled Models” [23] Lynch JP. “Decentralization of wireless monitoring and control technologies for smart civil structures” [24] Wang Y., Lynch JP, Law K.H. “A wireless structural health monitoring system with multithreaded sensing devices:

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Structural Monitoring” [26] Y. Wang, J. P. Lynch y K. H. Law, 2005. “A wireless structural health monitoring system with multithreaded sensing devices:

design and validation” [27] J. P. Lybch, A. Sundararajan, K. H. Law, A. S. Kiremidjian, E. Carryer, H. Sohn y C. R. Farrar, 2003. “Field validation of a

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Monitoring application” [33] J. P. Lynch, 2006. “An overview of wireless structural health monitoring for civil structures”

http://www.tecnun.es/asignaturas/ecologia/hipertexto/08RiesgN/150Viento.htm

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