Monitorización automática avanzada de obras de arte y de construcciones actuales y patrimoniales: el proyecto SISPATINT 2021

Ha finalizado la anualidad 2021 de este proyecto de I+D, en el cual se está probando, configurando y mejorando un sistema avanzado de monitorización tanto de obras de arte como de construcciones actuales y patrimoniales.

Recientemente ha concluido la anualidad 2021 del proyecto SISPATINT 2021 (Prueba, configuración y mejora del sistema PATINT, y estudio y análisis de biomateriales). El proyecto ha sido 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 de I+D 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).

Objetivo de SISPATINT 2021

El proyecto se compone de 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.

Esquema simplificado de una plataforma de Ciudad Inteligentes. Fuente: Cámara de Comercio de Valencia

AIDIMME forma parte del comité CTN 178 «Ciudades inteligentes», que elabora normas UNE sobre ciudades inteligentes, su aplicación, el escenario internacional y las implicaciones para los diferentes agentes. Por ejemplo, la norma UNE 178201 analiza el concepto de “Ciudad Inteligente” y propone una definición formal, además de determinar los atributos que la caracterizan y los requisitos necesarios para que una ciudad pueda considerarse como inteligente.

Los requisitos que incluye esta norma son útiles como base de una semántica común de Ciudad que permita una definición coherente de indicadores normalizados, y que sirva como elemento de relación entre las infraestructuras TIC, métricas y políticas de las Ciudades Inteligentes. Este conocimiento se ha tenido en cuenta en SISPATINT 2021.

Resultados obtenidos 1: Definición y diseño de una nueva arquitectura para el sistema PATINT

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 tener nodos sensores e instalar un software de gestión (DIPP_SW) en el servidor que recibía los datos.

Por ello, en SISPATINT 2021 se ha diseñado una nueva arquitectura para el sistema PATINT que prescinde de nodos receptores, como se esquematiza en la siguiente imagen.

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

Esa arquitectura utiliza módulos WiFi, cuyo consumo energético 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 nodo sensor. Según los análisis realizados, reduciendo de manera significativa el consumo de los módulos WiFi mediante el ajuste y optimización de los algoritmos y los parámetros de configuración, la duración de las pilas del nodo sensor no será penalizada en exceso.

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

  • No hay límite en el número de sensores por inmueble. En la arquitectura anterior existe 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 el uso de la arquitectura anterior a Europa.

En la nueva arquitectura, no hay nodos receptores y los nodos sensores son 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.

Según Miguel Ángel Abián, coordinador y director técnico del proyecto, “la nueva arquitectura que se está desarrollando en el proyecto es más simple y robusta que la anterior y permite la conexión directa con la nube”. Además se mejora la integración con plataformas IoT de todo tipo.

Resultados obtenidos 2: Implementación de la nueva arquitectura del sistema PATINT

En la arquitectura inicial, el nodo sensor del sistema constaba de 2 módulos:

  • Módulo sensor (DIPP_SENS)
  • Módulo de control y comunicaciones (DIPP_RF)

En la nueva arquitectura, cada nodo sensor WiFi consta de un módulo DIPP_WIFI, que sustituye al módulo DIPP_RF de la arquitectura inicial.

Nodo sensor del sistema PATINT en la arquitectura original: módulo DIPP_SENS (izquierda), módulo DIPP_RF (derecha) y cable de unión (centro)
Fotografía de DIPP_SENS con un encapsulado de madera

Antes de abordar el desarrollo del módulo DIPP_WIFI, se ha realizado un prototipo basado en una PCB diseñada y montada en el proyecto, que incluye un componente WiFi. Se ha comprobado el correcto funcionamiento del prototipo y se han realizado algunos ajustes menores en la electrónica (PCB y componentes) y en la programación. En la próxima anualidad del proyecto se desarrollarán varios módulos finales DIPP_WIFI y se evaluarán.

Prototipo de PCB con componente WiFi conectado al módulo DIPP_SENS (1)
Prototipo de PCB con componente WiFi conectado al módulo DIPP_SENS (2)
Prototipo de PCB con módulo WiFi conectado al módulo DIPP_SENS (3)

Se han propuesto varias modificaciones en el diseño del módulo DIPP_SENS y en su componente LED, que se llevarán a cabo en la siguiente anualidad del proyecto.  

Resultados obtenidos 3: Desarrollo, configuración y prueba de una red completa de sensores del sistema PATINT

En paralelo a todo lo anterior, se ha desarrollado una red de nodos sensores PATINT con la arquitectura inicial del sistema. Para ello se implementaron, programaron y configuraron 10 nodos sensores y 1 nodo receptor, y se probaron en laboratorio primero.

A continuación, a modo de ejemplo, se exponen fotografías de algunos de los nodos sensores (nº3 y nº7) y del nodo receptor.

Dos de los nodos sensores (nº 3 y nº7) una vez programados y configurados, protegidos con cajas aislantes, y el nodo receptor (izquierda)
Nodo sensor nº3 introducido parcialmente en una caja aislante.
Nodo sensor nº7 en proceso de ser introducido en una caja aislante
Nodo receptor

Los nodos sensores, protegidos por cajas aislantes, se enterraron después en un terreno donde hay termitas y humedades elevadas, y desde entonces se está probando la red y registrando los datos enviados por los nodos sensores enterrados.

Aunque el objetivo final es probar el sistema en obras de arte y edificios, se decidió de forma preliminar enterrar la red de sensores en un terreno por tres motivos:

  • Comprobar su funcionamiento en condiciones ambientales extremas.
  • Tener fácil acceso a los sensores y al nodo receptor, a fin de facilitar posibles comprobaciones, sustituciones de componentes, cambios de configuración, cambios de programación, etc.
  • Verificar la estabilidad, robustez y fiabilidad de la red en largos períodos de tiempo.

A continuación, a modo de ejemplo, se exponen fotografías del enterramiento de los nodos sensores (nº3 y nº7) en un terreno donde hay termitas.

Colocación del nodo sensor nº 7 en el agujero excavado. El bloque de madera clara y blanda, donde va insertado el módulo DIPP_SENS del nodo sensor, actúa como cebo para las termitas
Comprobación del funcionamiento del nodo sensor nº 7 antes de enterrarlo
Excavación del agujero para enterrar el nodo sensor nº 3
Colocación del nodo sensor nº 3 en el agujero excavado
Nodo sensor nº 3 en proceso de enterramiento

El nodo receptor se colocó a una distancia media de 60-100 metros de los 10 nodos sensores y se conectó a un ordenador al que transmite los datos que va recibiendo de los nodos sensores.

Ordenador conectado al nodo receptor (derecha) que recoge los datos que este le transmite, que a su vez proceden de los 10 nodos sensores enterrados.
Nodo receptor en funcionamiento en el momento de recoger un paquete de datos del nodo sensor enterrado nº9 y de transmitirlo al ordenador

Se han realizado y seguirán realizándose cambios de configuración y de programación, tanto en los nodos sensores enterrados como en el nodo receptor, para optimizar el consumo energético y para investigar las alertas lanzadas por ellos.

Para más información sobre el proyecto y sus resultados, contacte con AIDIMME.


“FGVA BIO0 – SISPATINT 2021 – PRUEBA, CONFIGURACIÓN Y MEJORA DEL SISTEMA PATINT, Y ESTUDIO Y ANÁLISIS DE BIOMATERIALES

Número de proyecto: 22100010
Expediente: IMAMCC/2021/1
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