Innovación para el patrimonio cultural e histórico valenciano: el proyecto SISPATINT 2021

AIDIMME desarrolla en este proyecto de I+D un sistema avanzado de monitorización de obras de arte y de construcciones, tanto de carácter patrimonial como actuales y de obra nueva.

El proyecto de I+D SISPATINT 2021 (Prueba, configuración y mejora del sistema PATINT, y estudio y análisis de biomateriales) pertenece a la línea estratégica de I+D de AIDIMME BIOMATERIALES, en concreto a la sublínea de trabajo BIO0 (Análisis y caracterización de estructuras de madera).

El proyecto SISPATINT 2021 está financiado por la Generalitat Valenciana mediante el programa Planes de Mejora de la Actividad y Capacidad de I+D Fondos GVA para el ejercicio 2021, que es impulsado por el IVACE (Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial).

Este proyecto está formado por diferentes actividades de investigación aplicada para probar, configurar y mejorar el sistema PATINT (desarrollado en 2019 en el proyecto DIPPATINT, también con la financiación de fondos GVA), así como de actividades para el estudio y análisis de biomateriales. El innovador sistema PATINT es una herramienta para monitorizar, preventivamente y de forma automatizada, la madera en obras de arte, construcciones de patrimonio y obra nueva. Este sistema, robusto, escalable y muy flexible, resultará compatible e integrable con plataformas de Smart Cities.

La arquitectura inicial del sistema, que se muestra en la siguiente figura, se diseñó e implementó en 2019 (proyecto DIPPATINT) y 2020 (proyecto SISPATINT). Resultó adecuada para probar exhaustivamente en condiciones de laboratorio los nodos sensores y los nodos receptores, así como la comunicación entre ellos. Pero necesitaba ser mejorada y simplificada para hacer posible su uso en inmuebles y para facilitar la conexión a la nube (cloud computing) y a plataformas IoT.

Esquema simplificado de la arquitectura inicial del sistema PATINT, diseñada e implementada en 2019 y 2020. En esta arquitectura era necesario instalar un software de gestión (DIPP_SW) en el servidor que recibía los datos.

Inicialmente, al comienzo de SISPATINT 2021, se propuso que el nodo receptor del sistema, encargado de recibir los datos de los nodos sensores y de enviarlos a un nodo IoT, dejase de ser un mero repetidor y se convirtiese en un computador embebido, cerrado y autónomo (Raspberry Pi o similar), con capacidad suficiente para registrar el estado de la madera en todo momento y generar las alertas oportunas. La arquitectura propuesta se muestra en la siguiente imagen.

Nueva arquitectura del sistema propuesta al inicio en SISPATINT 2021 y finalmente descartada.

Esa nueva arquitectura requería el diseño de un software de gestión que se instalase en la Raspberry Pi del nodo receptor, con las siguientes funciones:

  • Implementación del protocolo de comunicaciones de radiofrecuencia del sistema.
  • Registro de datos y visualización de la información.
  • Generación de avisos o alarmas por detección de xilófagos, presencia de hongos de pudrición, humedad elevada de la madera, etc.
Raspberry Pi junto a PCB hecha a medida para conectar a su puerto GPIO (General Purpose Input/Output).

Con la anterior arquitectura el sistema sería autónomo, y monitorizaría el estado de la madera y generaría avisos o alarmas sin necesidad de instalar un software específico en un servidor receptor de los datos.

Ahora bien, analizados los avances recientes en módulos WiFi de bajo consumo y tras realizar numerosos cálculos sobre su consumo energético para diversos escenarios de uso, se consideró su incorporación al sistema. El consumo energético de los módulos WiFi y en general de los módulos de radiofrecuencia resulta por lo general mucho más elevado que el de otros componentes (LED, fotodetector, etc.), y en consecuencia es crítico para la duración de las pilas del sensor. Reduciendo de manera significativa el consumo de los módulos WiFi mediante el ajuste y optimización de los algoritmos y los parámetros de configuración, se consideró posible prescindir totalmente del nodo receptor sin que la duración de las pilas del nodo sensor sea penalizada en exceso. Esto permite una arquitectura del sistema mucho más simple.

Esta nueva arquitectura, que es la que se está implementando finalmente en el proyecto, se esquematiza en la siguiente imagen.

Nueva arquitectura del sistema propuesta en SISPATINT 2021, que es la que finalmente se está implementando.

Con esta nueva arquitectura se obtienen las siguientes ventajas con respecto a la anterior:

  • No hay límite en el número de sensores por inmueble. Anteriormente había un límite de 32 sensores por cada nodo receptor.
  • Se elimina el nodo receptor y por tanto también desaparece el software de gestión de éste.
  • Los sensores pueden instalarse en cualquier parte del mundo, ya que utilizan la red WiFi para comunicarse, en vez de la banda libre de radio de 868 MHz, que limitaba su uso a Europa.

En la nueva arquitectura del sistema, que se está implementando, los nodos sensores son ahora también nodos WiFi (es decir, monitorizan automáticamente la madera y también transmiten por WiFi los datos obtenidos) y, por tanto, incluyen módulos WiFi de bajo consumo energético.

Para las pruebas iniciales de los nuevos nodos sensores WiFi, se diseñó y fabricó una placa de circuito impreso (PCB) con un módulo WiFi.  

Prototipo de PCB con un módulo WiFi de bajo consumo.
Prototipo de PCB con un módulo WiFi de bajo consumo, conectado a un nodo sensor del sistema.  

En el proyecto se están realizando también pruebas del sistema fuera del laboratorio, con la primera arquitectura de aquel. Para ello se enterraron varios nodos sensores en un suelo donde existen termitas y se están registrando y analizando los datos enviados por ellos.

Enterramiento, para pruebas del sistema fuera del laboratorio, de un nodo sensor.    
Enterramiento, para pruebas del sistema fuera del laboratorio, de otro nodo sensor.    
Nodo receptor (derecha), que recibe los datos de los sensores enterrados en un suelo con termitas, y ordenador (izquierda) que los muestra en una interfaz gráfica.     

Según Miguel Ángel Abián, coordinador y director técnico del proyecto, “la nueva arquitectura que se está desarrollando en el proyecto simplifica mucho la anterior, es más robusta y reduce el número de fallos y de redundancias”. Además se mejora la integración con plataformas IoT.

El uso de herramientas TIC (sensores, tecnologías inalámbricas, algoritmos predictivos, inteligencia artificial, protocolos de Smart Cities, etc.) resulta imprescindible para conservar inmuebles y obras de arte sin tener que recurrir a costosas soluciones de reparación o tratamiento. Anualmente, las termitas subterráneas causan en Europa gastos superiores a los 730 millones de €uros en daños, tratamientos y reparación de los daños en estructuras de madera. Dicha cantidad está aumentado por el cambio climático, que ocasiona que las termitas estén comenzando a extenderse a zonas donde hasta ahora había bajas temperaturas prolongadas en invierno y, en consecuencia, sus colonias no podían sobrevivir.

El sistema resultante del proyecto podrá utilizarse tanto en construcciones patrimoniales como en construcciones actuales y obra nueva. Por motivos normativos, medioambientales y de ahorro energético, en muchos países del mundo está creciendo la construcción en madera; y es cuestión de tiempo que ese crecimiento, apoyado por la decidida apuesta de la UE por el uso de materiales sostenibles y reciclables en la construcción, ocurra también en España. Con este sistema podrán monitorizarse en tiempo real estructuras nuevas de madera y derivados, y así se vencerán las reticencias que tradicionalmente han limitado mucho el empleo de madera en construcción en nuestro país y, en particular, en la Comunitat Valenciana (el riesgo de degradación por humedad, hongos e insectos xilófagos, por ejemplo). 

SISPATINT 2021 PRUEBA, CONFIGURACIÓN Y MEJORA DEL SISTEMA PATINT, Y ESTUDIO Y ANÁLISIS DE BIOMATERIALES

Número de proyecto: 22100010
Expediente: IMAMCC/2022/1
Duración: Del 01-01-2021 al 31-12-2021
Coordinado en AIDIMME por: ABIÁN PÉREZ,MIGUEL ANGEL
Línea de I+D: BIOMATERIALES

Para más información contacte con AIDIMME.

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Miguel Ángel Abián

Tecnología y Biotecnología de la Madera • Jefe Sección