Desarrollo de una red de sensores inalámbrica con tecnología LoRaWAN para monitoreo estructural

Abstract

En esta tesis se aborda el desarrollo de una red de sensores inalámbrica con tecnología LoRaWAN para el monitoreo de estructuras civiles. La implementación desarrollada como trabajo de aplicación está compuesta por dos nodos que relevan magnitudes estructurales de interés : la deformación local y el desplazamiento. El primero de ellos contiene los circuitos de acondicionamiento para un sensor de desplazamiento lineal comercial, un LVDT (Linear Variable Differential Transformer) del fabricante TE Connectivity, modelo HR1000. El segundo nodo recoge la información de un sensor de deformaciones mecánicas implementado con un puente de galgas extensiométricas metálicas. Estos nodos realizan medidas periódicas, transmitiendo la información relevada a través de una radio integrada en una placa de desarrollo Arduino MKRWAN 1310, con tecnología LoRaWAN. Los datos son recibidos por una puerta de enlace TTIG (The Things Indoor Gateway) con salida a Internet mediante un enlace Wi-Fi y redireccionados al servidor de red The Things Network, que gestiona una red comunitaria global de nodos IoT conectados mediante la tecnología mencionada. Por último, los datos son enlazados a una aplicación web llamada TagoIO, que provee la interfaz gráfica para la visualización de las variables asociadas al monitoreo de las estructuras. Como primera etapa del trabajo, se realizó una revisión bibliográfica de las técnicas inspectivas de vanguardia aplicadas al monitoreo estructural. Los estudios revisados corresponden a publicaciones en revistas científicas arbitradas y publicaciones relevantes. Se seleccionó una tecnología de red adecuada para la implementación de redes de monitoreo continuo, con disponibilidad de datos en tiempo real e interfaz de usuario amigable. En la fase experimental se abordó el diseño y la implementación de los circuitos de acondicionamiento de ambos sensores, la implementación de la red con conectividad LoRa y la interfaz de usuario, que implicó la elección de la plataforma web, la configuración de un dashboard y el desarrollo de scripts en lenguaje JavaScript para el procesamiento y envío de comandos de forma remota a los nodos de la red. En la etapa final, se integraron todas las partes y se evaluó el desempeño de la red, realizando ensayos individuales de los nodos y del rendimiento de la red en términos del número de paquetes recibidos por la aplicación web en función de la distancia nodo-gateway. Para el LVDT se realizó una implementación basada en componentes de bajo costo. El nodo instrumentado fue calibrado con un actuador de pasos de resolución micrométrica, modelo NRT150, del fabricante THORLABS. El instrumento desarrollado presentó una respuesta lineal a los desplazamientos, con una sensibilidad de 94.7 µm/V V y una incertidumbre asociada máxima de ±0,26 mm en el rango nominal completo de desplazamientos. Este resultado se ajusta al error máximo de linealidad reportado por el fabricante en la hoja de datos del transductor. Finalmente se contrastó el funcionamiento del nodo contra un comparador analógico del fabricante NEOTeck, con resolución de 10 µm, obteniéndose un error relativo máximo de 0,68% respecto al mismo. En el caso del nodo sensor de deformaciones, el circuito de acondicionamiento está basado en un módulo off-the-shelf desarrollado por AVIA Semiconductors, modelo HX711, que posee un conversor analógico/digital de 24 bits y es adecuado para medir cambios relativos de resistencia con precisión utilizando un puente de Wheatstone. Para la evaluación de este nodo, se ensayó una barra de acero en voladizo, con 4 galgas montadas sobre su superficie, que fueron conectadas en configuración de puente completo. El instrumento desarrollado mostró una respuesta lineal con una sensibilidad de 28,6 µe/N (micro-deformaciones/Newton). Se contrastaron sus lecturas contra las de un puente de medida modelo P3 del fabricante Micro-Measurements y otro desarrollado por el fabricante TeQuipment, modelo SM1009. El instrumento construido presentó un error relativo máximo de 1,4% respecto al puente P3 y 4,3% respecto al SM1009.