Monitorización automática y avanzada de obras de arte y de construcciones actuales y patrimoniales: el proyecto SISPATINT 2022
Ha finalizado la anualidad 2022 de este proyecto de I+D, en el cual se está probando, configurando y mejorando un sistema avanzado de monitorización de obras de arte y construcciones, tanto de carácter patrimonial como actuales y de obra nueva.
Recientemente ha concluido la anualidad 2022 del proyecto SISPATINT 2022 (Prueba, configuración y mejora del sistema PATINT, y estudio y análisis de biomateriales y estructuras de madera), que 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 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 2022, que es impulsado por el IVACE (Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial).
Objetivo de SISPATINT 2022
El proyecto consta 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 y de estructuras de madera.
Los objetivos propuestos inicialmente para SISPATINT 2022 fueron los siguientes:
- Implementación, configuración y prueba de la nueva arquitectura del sistema PATINT, basada en componentes WiFi de muy bajo consumo energético y con conexión directa del sistema a la nube (cloud computing) y a plataformas de Smart Cities.
- Desarrollo, configuración y prueba de una red completa de sensores de monitorización de la madera en obras de arte y construcciones de patrimonio y obra nueva.
- Estudio y análisis de biomateriales (lignocelulósicos, composites, etc.). Análisis, caracterización y reparación de estructuras de madera.
El innovador sistema PATINT es una herramienta para monitorizar, preventivamente y de forma automatizada y en tiempo real, la madera en obras de arte, construcciones de patrimonio y obra nueva. También puede emplearse con materiales derivados de la madera: madera contralaminada (en inglés, CLT o Cross Laminated Timber), madera microlaminada (en inglés, LVL o Laminated Veneer Lumber), madera laminada encolada (en inglés, glulam), tableros, etc.
Debido a los avances recientes en componentes WiFi de muy bajo consumo energético, en el proyecto se está desarrollando una nueva arquitectura para PATINT, en la que los sensores acceden directamente a la nube (cloud computing).
La nueva arquitectura se esquematiza de forma muy simplificada en la siguiente imagen.
En la nueva arquitectura del sistema, 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 componentes WiFi de bajo consumo energético.
Resultados obtenidos 1: Desarrollo de las PCB para el módulo DIPP_WIFI
Cada nodo sensor WiFi consta de un módulo DIPP_SENS (módulo sensor, que va insertado en la madera y mide los parámetros de interés) y un módulo DIPP_WIFI (módulo de control y comunicaciones), que sustituye al módulo DIPP_RF de la arquitectura inicial de PATINT.
En la anualidad 2022, basándose en el prototipo final desarrollado en la anterior anualidad, se implementaron 10 placas de circuito impreso para el módulo DIPP_WIFI, denotadas de aquí en adelante como PCB_DIPP_WIFI_2022_Nº.
Estas placas están diseñadas de modo que permitan su alimentación mediante pilas AA o bien mediante conector micro-USB.
A continuación, a modo de ejemplo, se muestran varias fotografías de algunas de las PCB desarrolladas.
Resultados obtenidos 2: Incorporación de tarjetas de memoria a las PCB del módulo DIPP_WIFI. Pruebas
A fin de minimizar la posible pérdida de información y de aumentar la duración de las baterías al enviar conjuntos grandes de datos cada 12-24 horas en lugar de datos aislados cada 10-15 minutos, se decidió incorporar a cada una de las 10 PCB del módulo DIPP_WIFI desarrolladas una tarjeta de memoria microSD de 2 GB y un microprocesador.
En cada memoria microSD se grabaron los datos que registraba cada PCB_DIPP_WIFI+microprocesador, que a su vez procedían de DIPP_SENS (módulo sensor).
A fin de comprobar la eficacia del proceso y que la pérdida de datos fuera nula o muy reducida, se realizaron pruebas de grabación de datos desde las 10 PCB_DIPP_WIFI+microprocesador a su correspondiente tarjeta de memoria, para lo que se programó y compiló el código fuente correspondiente para el microprocesador.
Cada PCB_DIPP_WIFI+microprocesador recibía los datos del módulo DIPP_SENS correspondiente cada 30 segundos y los grababa en la memoria microSD. Las pruebas se realizaron en cada caso durante 2.300 horas de funcionamiento interrumpido, y la perdida promedio de datos (datos medidos pero no registrados en la tarjeta de memoria) para las 10 PCB_DIPP_WIFI+microprocesador fue aproximadamente de 0,0003%.
La siguiente tabla muestra individualmente las pérdidas de datos (datos medidos pero no registrados en la tarjeta de memoria) para las 10 PCB_DIPP_WIFI+microprocesador desarrolladas. Las pérdidas se deben a fallos de escritura en la tarjeta microSD o a desfases acumulados del reloj de microprocesador.
Resultados obtenidos 3: Comprobaciones y pruebas de consumo energético del módulo DIPP_WIFI
Para las comprobaciones y pruebas de consumo energético en laboratorio del módulo DIPP_WIFI se desarrollaron 10 módulos DIPP_WIFI integrando en cada una de las PCB_DIPP_WIFI desarrolladas antes un componente electrónico WiFi de bajo consumo y un microprocesador. A partir de esos módulos, se desarrollaron 10 nodos sensores WiFi provisionales. Fue necesario implementarlos, pues para obtener datos fiables del consumo energético de DIPP_WIFI se necesita probarlo con todos los elementos que requieren alimentarse de él en un momento u otro.
Se realizaron durante varias semanas comprobaciones eléctricas y electrónicas en los 10 nodos sensores WiFi provisionales y resultaron correctas. No se detectó mal funcionamiento de ningún componente ni conexión.
Las pruebas de consumo energético se centraron en determinar el perfil de consumo durante las diferentes etapas en las que pueden encontrarse el módulo DIPP_WIFI, y no en la duración real de las pilas, pues el regulador de consumo empleado es solamente para pruebas y no puede cambiar, según el consumo de corriente, la fuente de la corriente de alimentación (pilas AA o conector micro-USB).
Estas pruebas, realizadas en intervalos variables durante varios meses para confirmar la reproductibilidad de los resultados, consistieron en conectar una resistencia de 10 Ω en serie con el regulador y en medir la diferencia de potencial en bornes de ésta.
La siguiente imagen muestra el perfil de consumo durante la etapa de conexión a la red WiFi y transmisión de información a la nube. Puede observarse que tiene una duración de unos 8 segundos, principalmente debidos al tiempo de conexión a la WiFi, y un consumo base de unos 10 mA, con picos que alcanzan los 30 mA.
Resultados obtenidos 4: Diseño y desarrollo de la etapa de entrada del módulo DIPP_WIFI
Etapa de entrada
A partir de los perfiles de consumo energético del módulo DIPP_WIFI determinados en el apartado anterior, fue posible plantear la etapa de entrada del módulo con el objetivo de que permita, de forma optimizada, la alimentación del módulo tanto por pilas/baterías como mediante un conector micro-USB.
Para ello se diseñó una etapa que reduce la tensión de entrada del alimentador, haciendo uso de un diodo Zener en polarización inversa y después se probó con un regulador lineal del tipo LDO.
Conversor elevador con pilas alcalinas
Tras la etapa de entrada se usa un conversor DC/DC elevador (también conocido como conversor boost) para garantizar una tensión estable de 3,3 V con independencia de la variación de tensión en las pilas con el paso del tiempo. Las pilas fueron alcalinas AA.
Se diseñaron e implementaron varios conversores a partir de distintos circuitos integrados comerciales y se hizo una batería de pruebas a cada conversor.
Tras analizar los resultados obtenidos en todos los conversores, pudo concluirse que no es posible utilizar con pilas alcalinas un convertidor elevador (o convertidor boost) de bajas corrientes de polarización para los usos que requiere DIPP_WIFI. La demanda de corriente es demasiado exigente y solo funcionan correctamente los conversores cuando las baterías tienen una carga superior al 59%.
Por ello hubo que cambiar el tipo de pilas y diseñar una nueva etapa de entrada para la alimentación del módulo DIPP_WIF con esas pilas. Queda pendiente probar exhaustivamente la nueva etapa de salida y después integrarla con la PCB de DIPP_WIFI, haciendo las modificaciones oportunas en la placa impresa.
Resultados obtenidos 5: Desarrollo, configuración y prueba preliminar en exterior de una red completa de sensores del sistema PATINT con la arquitectura inicial
Se desarrolló una red de nodos sensores PATINT con la arquitectura inicial del sistema. Para ello, en 2021 se implementaron, programaron y configuraron 10 nodos sensores y 1 nodo receptor, y se probaron en laboratorio primero.
Los nodos sensores, protegidos por cajas aislantes, se enterraron después en un terreno donde hay termitas, y durante el período septiembre 2021-diciembre de 2022 se probó la red y se fueron registrando los datos enviados por los nodos sensores enterrados.
Aunque el objetivo final, previsto para 2023-2024, es probar el sistema con su arquitectura definitiva en obras de arte y edificios, se decidió de forma preliminar enterrar la red de sensores de la arquitectura original en un terreno por tres motivos:
- Comprobar su funcionamiento en condiciones ambientales extremas.
- Tener fácil acceso a ellos a fin de facilitar posibles comprobaciones, sustituciones de componentes, cambios de configuración, cambios de programación, etc. Algunas incidencias aparecidas han servido para mejorar sustancialmente los sensores de la arquitectura final.
A continuación, a modo de ejemplo, se exponen fotografías de algunos de los nodos sensores (nº3 y nº7) y del nodo receptor.
A continuación, a modo de ejemplo, se exponen fotografías del enterramiento de los nodos sensores (nº3 y nº7) en un terreno donde hay termitas.
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 transmitía los datos que iba recibiendo de los nodos sensores.
Se realizaron 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.
En 2022 se advirtió que dejaron de recibirse datos de 6 de los sensores (hubo lluvias fuertes a finales de 2021 y en el primer trimestre de 2022). Se procedió a desenterrar esos 6 sensores en abril/mayo de 2022.
Una vez desenterrados los 6 sensores que no enviaban datos, se examinaron en laboratorio y se determinó que, en todos ellos, el módulo DIPP_RF (responsable de transmitir los datos por radiofrecuencia y de alimentar a DIPP_SENS) no había sufrido daños, pero el módulo DIPP_SENS (sensor insertado en la madera) se había mojado excesivamente, lo que había causado un cortocircuito entre masa y alimentación.
Dicho cortocircuito provocó un mal funcionamiento del módulo DIPP_SENS, así como la descarga completa de las pilas que lo alimentan.
Aunque las condiciones normales de uso del sensor no es previsible que sean tan agresivas como las de un terreno que reciba directamente agua de lluvia, ya que los sensores se instalarán normalmente en el interior de edificios, lo sucedido puso de manifiesto la necesidad de proteger la electrónica para evitar que un cortocircuito en el sensor DIPP_SENS, sea causado por contacto directo con agua o por otros motivos (fallo espontáneo de algún componente, por ejemplo), cause un fallo en el módulo encargado de las comunicaciones (DIPP_RF).
Para continuar los ensayos en el terreno, se decidió desarrollar 6 nuevas PCB de DIPP_SENS y tropicalizarlas.
La tropicalización consiste en la aplicación de un recubrimiento aislante sobre la PCB, para protegerla de agentes externos como la condensación de agua, humedad, ambientes salinos, etc.
Existen diversas sustancias (resinas y barnices) y métodos de aplicación para llevar acabo la tropicalización. Entre ellas, se optó por emplear para el proyecto un barniz acrílico en formato aerosol, que según las pruebas preliminares en laboratorio dio resultados satisfactorios frente a la exposición directa al agua.
En concreto se realizaron para cada cara de la PCB 3 pulverizaciones con una distancia de 15-20 cm, espaciadas 15 minutos. Las placas tropicalizadas se probaron previamente antes de integrarlas en el nodo sensor correspondiente.
Los 6 nodos sensores con las PCB de DIPP_SENS tropicalizadas volvieron a enterrarse y no dieron ninguna incidencia en el resto de la prueba, concluida en diciembre de 2022.
Debido a las incidencias expuestas (mal funcionamiento de 6 de los nodos sensores por lluvias excesivas), transcurrieron meses entre que se detectaron las incidencias y se analizaron las causas, se desarrollaron y tropicalizaron las nuevas PCB del módulo DIPP_SENS y volvieron a enterrarse los nodos sensores con las PCB tropicalizadas. Por ello, no pudieron realizarse estadísticas continuas de los datos para los 10 nodos enterrados en el terreno.
No obstante, en el período de prueba, 4 sensores detectaron en 2022 la presencia de termitas individuales y de ataques masivos de termitas, y uno de ellos detectó también bloqueo del sensor por la elevada intensidad de los ataques masivos de termitas.
En los 4 casos se comprobó visualmente, levantando con cuidado la tierra para no perturbar a los insectos, que efectivamente había termitas cerca de los sensores, y en los casos de ataques masivos que había al menos 60 insectos alrededor del nodo sensor. No se registró ningún falso positivo.
A continuación se exponen, a modo de ejemplo, algunas gráficas representativas y de interés confeccionadas a partir de los resultados obtenidos en 2022.
Las gráficas corresponden a un período de 4.500 horas (187,5 días) en 2022.
Las gráficas corresponden a un período de 4.500 horas (187,5 días) en 2022.
Las gráficas corresponden a un período de 806 horas (33,6 días) en 2022.
Las gráficas corresponden a un período de 1956 horas (81,5 días) en 2022.
Las gráficas corresponden a un período de 2652 horas (110,5 días) en 2022.
Las gráficas corresponden a un período de 2652 horas (110,5 días) en 2022.
Según Miguel Ángel Abián, coordinador y director técnico del proyecto, “la nueva arquitectura que se está desarrollando en SISPATINT 2022 es, entre otros motivos, innovadora por el uso de componentes avanzados WiFi de consumo ultrabajo para aplicaciones de monitorización de obras de arte y edificios”. Además, permite la conexión directa con la nube y con plataformas de Smart Cities/Smart Heritage.
El proyecto y sus resultados se difundieron el pasado febrero en la jornada “Conocer la madera”, patrocinada por la Cátedra Maderamen, así como en un curso impartido por AIDIMME en noviembre para el Colegio Territorial de Arquitectos de Valencia (CTAV). Los principales resultados técnicos obtenidos en SISPATINT 2022 están disponibles en la página web del proyecto, de forma gratuita, libre y abierta.
Para más información sobre el proyecto y sus resultados, contacte con AIDIMME.
Este proyecto ha sido apoyado por:
Número de proyecto: 22200010
Expediente: IMAMCA/2022/2
Duración: Del 01/01/2022 al 31/12/2022
Coordinado en AIDIMME por: ABIÁN PÉREZ,MIGUEL ANGEL
Línea de I+D: BIOMATERIALES
Para más información, contacte con AIDIMME.
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