Redes inalámbricas de sensores aplicadas al monitoreo de integridad estructural

Actas de Ingeniería

Vol. 1, pp. 119-126, 2015 http://fundacioniai.org/actas

Wireless sensor networks for structural health monitoring applications Redes inalámbricas de sensores aplicadas al monitoreo de integridad estructural Gustavo Meneses gustavo.meneses(AT)usbmed.edu.co Universidad de San Buenaventura Medellín – Colombia Artículo de investigación ABSTRACT In this paper is presented a general view on the integration of wireless sensor networks, based on the communication standard IEEE 802.15.4, into applications involving structural health monitoring of infrastructure such as tunnels, buildings and highways. A threelayer architecture communication is proposed; it ranges from the scope of personal area networks, passing through local area networks to wide and metropolitan area networks. In order to illustrate the implementation of the lower layer of the proposed architecture, two prototypes of developed nodes are shown: a network coordinator and a sensor node. In this particular case, it is shown how an inclinometer can be placed on walls, columns or surfaces of different types of works in order to establish displacements which could indicate structural changes requiring the schedule of servicing tasks, analysis and alarm reports. Keywords: Wireless sensor networks, Structural Health Monitoring (SHM), IEEE 802.15.4 standard, MiWi protocol, Inertial Measurement Unit. RESUMEN Se presenta una visión general sobre la integración de redes inalámbricas de sensores, basadas en el estándar de comunicación IEEE 802.15.4, en aplicaciones de monitoreo de integridad estructural sobre obras tales como túneles, edificios y carreteras. Se plantea una propuesta de arquitectura de comunicaciones de tres niveles que cubre el ámbito de las redes de área personal, pasando por las redes de área local hasta llegar al rango amplio y metropolitano. Para ilustrar la implementación a nivel de la capa inferior de la arquitectura propuesta se muestran dos prototipos de nodos desarrollados que corresponden al coordinador de red y a un nodo sensor. En el caso específico se muestra como un inclinómetro puede ubicarse sobre muros, columnas o superficies de diferentes tipos de obras para determinar desplazamientos que indiquen variaciones estructurales que sugieran la programación de tareas de atención, análisis o la generación de alarmas. Palabras clave: Redes inalámbricas de sensores, monitoreo de integridad estructural, estándar IEEE 802.15.4, protocolo MiWi, unidad de medición inercial. © 2015. IAI All rights reserved

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Introducción

Las obras de infraestructura tales como puentes, edificios, túneles, carreteras, entre otras, son elementos importantes para el desarrollo rural y urbano en todos los países, y por aspectos estratégicos en cuanto a la seguridad de las personas, el comercio, la prestación de servicios públicos, las redes de transporte, y otros tantos. El uso permanente en el tiempo, los esfuerzos ante cargas estáticas y dinámicas, el desgaste natural de los materiales y la influencia de los cambios en el entorno, las condiciones climáticas y los fenómenos naturales influyen en su vida útil, llevándolas en ocasiones a situaciones extremas de colapsos y fallos que pueden tener consecuencias trágicas. Adicionalmente, errores en el diseño pueden tener también malos resultados [1]. En la última década dos campos de aplicación de la ingeniería, relacionados con la telemetría y la instrumentación electrónica, han tenido un desarrollo considerable: las redes inalámbricas de sensores y el monitoreo de integridad estructural (Structural Health Monitoring SHM) [2]. Las primeras se benefician de diferentes estándares de comunicación, principalmente

de la familia IEEE 802.XX y de los avances tecnológicos en áreas como los sistemas microelectromecánicos (Microelectromechanical Systems MEMS), la recolección de energía (Energy Harvesting-Scavenging) y los microcontroladores de altas prestaciones de procesamiento con bajo consumo de energía [3]. Paralelamente, los sistemas de monitoreo de integridad estructural aprovechan las oportunidades que ofrece la gama de sensores y técnicas de análisis y procesamiento de señales disponibles, para entregar información que permita determinar acciones preventivas o correctivas derivadas del estado físico de las infraestructuras [2, 4]. 2

Redes inalámbricas de sensores

Estas redes aprovechan las características de los llamados sensores inteligentes, y potencian sus posibilidades a partir de la integración de prestaciones de trabajo en red. Las comunicaciones inalámbricas aumentan la flexibilidad y la escalabilidad de los grupos de sensores que se despliegan sobre un área determinada para captar variables de interés. En su estructura genérica un nodo sensor está constituido por un bloque de cómputo o unidad central de 119

procesamiento (CPU), una etapa de energía/alimentación, un elemento sensor, elementos de memoria RAM/ROM/EEPROM y un transceptor. Adicionalmente, se pueden tener bloques de captación de energía, hojas de datos electrónicas o sistemas microelectro-mecánicos [3], como se observa en la Figura 1. 2.1 Estándares de comunicación inalámbricas de sensores

para

redes

En su forma tradicional las redes inalámbricas de sensores se basan principalmente en estándares de comunicación de la familia IEEE 802.XX, y se encuentran otros formulados específicamente para tal fin, como el IEEE 802.15.4, que define todo lo relacionado con las redes inalámbricas de área personal de bajo tráfico (Low Rate Wireless Personal Area Networks LR-WPAN). Tal vez Zigbee sea la versión más conocida para la implementación práctica del estándar IEEE 802.15.4, sin embargo, existen otras como Xbee de Digi y MiWi de Microchip [5]. La operación en la banda de 2.4 GHz es la más común, con un rango aproximado de un centenar de metros y una tasa de bits de 250 kbps sobre 15 canales posibles.

Figura 1: Nodo sensor inalámbrico

2.2 El protocolo MiWi de Microchip Las principales características del protocolo MiWi son la facilidad de implementación sobre microcontroladores de 8, 16 o 32 bits y su aspecto liviano, en comparación con Zigbee (Tabla 1) en cuanto al consumo de memoria de programa [5]. Además de los transceptores, las comunicaciones bajo MiWi se sustentan sobre dos bases funcionales: una formulación llamada MiApp y otra denominada MiMAC, que rigen los aspectos de la capa de aplicación y la capa física del protocolo respectivamente [7, 8]. Adicionalmente, el protocolo MiWi es royaltie-free y a diferencia de Zigbee el número máximo de nodos de las redes que soporta es menor, 1024 nodos, que suele ser suficiente para la mayoría de aplicaciones. Tabla 1. Memoria de programa MiWi vs Zigbee [6] Memoria de programa (Kbyte)

Coordinador Router Dispositivo Terminal

MiWi