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Instituto Tecnológico de Costa Rica

1. Typical Values Figura 26 Circuito t pico para la programaci n con ICSP 15 5 2 3 Red inal mbrica de sensores Para la red inal mbrica de sensores por decisi n de la coordinaci n del proyecto se utilizan los sistemas embebidos Waspmote de Libelium los cuales cuentan con m dulo XBee 802 15 4 que se encargan de esta transmisi n 48 Figura 27 M dulo XBee 802 15 4 13 As los Waspmote se encargan de recibir en sus puertos tanto anal gicos como digitales las se ales recibidas por los diferentes m dulos de hardware dise ados para cada sensor procesan los datos recibidos y los env an inal mbricamente a un nodo central que corresponde al Gateway el cual solo recibe y env a a la PC Figura 28 Waspmote Gateway 13 Cada nodo puede estar a una distancia menor a 500 metros del Gateway para que se logre la comunicaci n entre ambos En este caso se utiliza una topolog a en estrella en donde cada nodo se comunica solamente con el nodo central 49 Coordinator eas e End Device i H A d 7 E J a E A Figura 29 Topolog a en estrella 13 5 3 Descripci n del software En este apartado se explicar detalladamente cada una de las rutinas de software implementadas para la programaci n de las diferentes etapas del sistema Se utilizar n diagramas de flujo para la explicaci n de cada algoritmo Se iniciar con las rutinas para la programaci n del P
2. occcooo 66 5 5 Instalaci n de lOS Sensores cocino danes 70 BS 1 DENSON S TS o luar N A cad 70 LSO O ROA lt SN 72 5 6 Mantenimiento de loS SENSOFEBS ccccccccncnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnininnnoos 75 5 6 T Sensor O Ta aia india 75 5 6 2 Sensor SR50A nnnnnnnnnnnnnnnnnnnannnnnnnnnnnnnnnnnnn nanan nanan n nnnm nann n annn ananena 75 Cap tulo 6 An lisis de resultados oooooocooccncccccccnonocccoccccconnnnnnnnnncnccncnnnnnnnnnnnns 76 BAResullado Soda 76 6 1 1 Resultados para el sensor ST350 oooooccccconocccccccccccnnnnnnnannnncnnnonnnnnnnannnns 76 6 1 2 Resultados para el sensor SR50A oooccccncccccccccnnnccccnnnnnnnnnnnncnnnnnncnnnnnnes 81 6 1 3 Caracterizaci n de lOS Sensores ooooocccccnncconoccccnnnnccnnnnnnnannnncnnnnncnnnnnnnns 83 6 1 4 Red inal mbrica de sensores y recepci n en la PC ooooonccccccccccccccccnanann 86 6 1 5 Resultados del sistema uc o a da 87 6 2 An lisis de resultados ccccccccccnonnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnos 93 6 2 1 An lisis de resultados para el sensor ST350 cocccccccccocococoocnnnnnnnnonnnnnos 93 6 2 2 An lisis de resultados para el sensor SR50A 0ooccccccccnocccacacononoccnanananos 95 6 2 3 An lisis de resultados para la caracterizaci n de los sensores 95 6 2 4 An lisis de resultados para la red inal mbrica de sensores y el programa AP A A OS 96 6 2 5 An lisis de resultados del sistema COMPleto o oo
3. Charging Battery Led USB Power Figura 14 Indicadores LED s en Waspmote 13 Los LED s 0 y 1 pueden ser programados por el usuario en el c digo del programa En cuanto a las interrupciones trabaja con 2 tipos s ncronas y as ncronas Las primeras son las que se programan mediante los timers las cuales pueden ser peri dicas se especifica concretamente el momento y las relativas se programan seg n el momento actual El segundo tipo de interrupciones se pueden dar por sensores bater a baja aceler metro m dulo GPRS El Waspmote cuenta con 4 modos de funcionamiento 28 e On e Sleep e Deep Sleep e Hibernate A este sistema embebido se le pueden adaptar muchas otras funciones al adaptarle diferentes tipos de placas de sensores Cuenta con muchas mas especificaciones que pueden ser vistas en la pagina de Libelium es un sistema muy til y sencillo de usar que utiliza el software Arduino para su programaci n 3 2 5 Protocolo FTP El FTP File Transfer Protocol es un protocolo de transferencia de archivos entre sistemas conectados a una red TCP basado en la arquitectura de cliente servidor esto quiere decir que desde una computadora cliente nos podemos comunicar con el servidor para subir o bajar archivos de ste con solo autenticarnos con un login y pasword El protocolo FTP nace en 1969 cuando unos investigadores del Instituto Tecnol gico de Massachusetts presentaron una propuesta para el primer
4. Para la primera soluci n planteada solo se deb a cablear el sensor a las entradas de recepci n y transmisi n serie en el Waspmote y utilizar una fuente de alimentaci n externa de 12V para el SR50A El problema en esta soluci n vino con la programaci n Como se hab a comentado antes el lenguaje de programaci n de los waspmote es poco flexible por lo que las interrupciones se manejan realizando una sentencia condicional al inicio del programa principal Esto provoc que si se entraba en la interrupci n porque hab a un dato disponible en el puerto serie leyera el dato o car cter y luego siguiera con las dem s instrucciones del programa y hasta que no terminara con stas no volv a a revisar si exist a alg n dato para realizar la interrupci n Esto ocasion que al leer la trama de datos del sensor se perdieran algunos de stos y por lo tanto no llegara completa La ventaja de esta soluci n era que no se necesitaba una etapa extra entre el SR50A y el Waspmote pero la desventaja fue la p rdida de informaci n lo que al final que provoc que esta soluci n se descartara y se siguiera la propuesta con etapa intermedia 37 Para la segunda soluci n se incluy un MAX232 y un PIC 18F4550 los cuales toman la alimentaci n del Waspmote El MAX232 se encarga de recibir la trama de datos del sensor en formato RS232 y transformarla a TTL que puede ser le da por el PIC En ste ltimo se utiliza una interrupci n por recep
5. Peak Measurement Current 250 mA typical Less than 1 0 second SDI 12 version 1 3 RS 232 1200 to 38400 bps RS 485 1200 to 38400 bps 1 6 to 32 8 ft 0 5 to 10 m 0 4 in 1 cm or 0 4 of distance to target whichever is greater Accuracy specification excludes errors in the temperature compensation 0 01 m 0 25 mm 30 45 to 50 C SDI 12 196 9 ft 60 m RS 232 9600 bps or less 98 4 ft 30 m RS 485 984 3 ft 300 m 4 conductor 2 twisted pair 22 AWG Santoprene jacket Length 4 in 10 1 cm Diameter 3 in 7 6 cm 0 88 Ibs 0 4 kg 0 55 Ibs 0 25 kg 1 The quiescent current draw is less than 1 25 mA if the baud tate is 9600 bps or less 2 Power supply must not drop below 11 0 Volts or heavier gauge wire is required Figura B 3 1 Especificaciones generales del sensor SR50A 135
6. cooomnnccccnnnnnnncnnnonnccccncccnnnnnnnnnnnnnncnncnnnnnnnnnnnannncnnns 15 Cap tulo 2 Meta y objetivos cccccccnnnncococcccnnnccononnnnnannncnnnnnnnnnnnnnnnnnnncnnnnncnnnnnnnns 17 2e Meta O O O 17 2 2 Objetivo general oooooonnnnccccnnnnnnnccnnnononcncnnccononnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnncnnnnnnnnn 17 23 Objetivos OSPOCICOS coat palta 17 Cap tulo 3 Marco te rico a 18 321 Descripci n del SS siii 18 3 2 Variables de desempe o estructural utilizadas ococccccccnccnnnnnos 18 ced DAN cd ii in 18 3 2 2 Mediciones de tensi n superficial en el material de la viga 21 3 2 3 Circuito Acondicionador de Se ales CAS 17 oooonnncccccccccnnnnccnncccnns 23 3 2 4 Waspmote 13l oooooocccnnnccccconinacococcnonccononananannncnnnnnncnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnns 26 A o A A eee aa et ate chee th T ON OO 29 Cap tulo 4 Proceso Metodol giCo oooooooccccnnccccnccccnoncccccnccnnnnnnnnnnancncnnnnnnnnnnnnnnnns 31 4 1 S ntesis del problema y requerimientos ccccccccccnncoconcccncniccnonanananancnnnnnnnns 31 4 2 Obtenci n y an lisis de inforMaci n oooocooccccccnnncccnnnonononnnonnnncnnnnnnnannncnnnnnnnns 31 4 3 Evaluaci n de las alternativas y s ntesis de la soluci n oooooiniccccccccnccccs 32 4 4 Implementaci n de la soluci n oooconnnnnccccccncnccccncnanncccnncnnnnnnnnnnnnnncnnncnnnnnn 32 4 5 Reevaluaci n y dise o ccooooocccccccccccccccnnnnananoncnnnnncnnnnnnnnnnnnnnnnncnnnn
7. 6 1 5 Resultados del sistema Para la comprobaci n del sistema completo funcionando se conect cada uno de los sensores a los circuitos dise ados para ellos y stos a un nodo Waspmote diferente Se conect el Waspmote Gateway a la PC y se program sta para que tomara datos durante 30 minutos Se inici la transferencia y recepci n de datos En la siguiente figura se observa la carpeta donde se encuentra el archivo de la programaci n en la PC en sta misma carpeta se guardar el archivo creado csv como se observar en la figura 61 el archivo no exist a hasta ese momento 87 johcarvajal 2011 12 15 csv F FTP us gt Et hola py Lectura_USB py prueba py Figura 61 Carpeta que contiene los programas y archivos creados para la PC Al iniciarse la transferencia de datos en la red y la recepci n en la PC se imprimen los datos recibidos en la consola de Linux 88 SUPERFICIAL SUPERFICIAL SUPERFICIAL SUPERFICIAL SUPERFICIAL SUPERFICIAL SUPERFICIAL SUPERFICIAL TENSION SUPERFICIAL 398 0 TENSION SUPERFICIAL 398 0 Figura 62 Recepci n de datos en la PC Se debe recordar que el tiempo de muestreo m nimo para el sensor de Deflexi n SR50A es de 1 minuto mientras que para el de tensi n superficial se eligi un tiempo de 1 segundo Al finalizar los 30 minutos el programa env a por FTP el archivo creado csv que lleva como nombre la fecha En las figuras siguientes se
8. Protocolo para la transmisi n de archivos en internet el cual era basado en el sistema de correo electr nico pero fue la base para el desarrollo posterior del FTP 9 En la siguiente figura se puede observar el modelo de este protocolo INTERFAZ DE USUARIO FTP Interprete de Control de la conexi Interprete de Protocolo usuario Protocolo servidor SERVIDOR FTP A E E an y Sistema de y b Sistema de Ficheros NS Ficheros Proceso Transferencia Conexi n de datos Proceso Translerencia de Datos DTP P de Datos DTP servido Mu 4 wy Figura 15 Protocolo FTP 3 El int rprete de protocolo en el usuario inicia la conexi n con el servidor y env a comandos FTP y espera la respuesta del Int rprete de Protocolo en el servidor Una vez que se tenga la respuesta y se especifiquen los par metros para la conexi n se puede iniciar con la transferencia de archivos en la capa de Proceso de Transferencia de Datos 29 Tanto el Int rprete de protocolo con el proceso de transferencia de datos son bidireccionales por lo tanto se pueden usar tanto para recibir como para enviar informaci n 30 Capitulo 4 Proceso metodol gico 4 1 Sintesis del problema y requerimientos El problema encontrado y por el cual se desarrolla este proyecto sali de la necesidad latente en el pa s de mejorar la infraestructura vial En este caso se tom el problema existente en la mayor a de los puentes del pa
9. Figura 52 Montaje utilizando un cilindro y el UN RAIL 6 74 5 6 Mantenimiento de los sensores A continuaci n se explicar el mantenimiento peri dico que se le debe dar a cada uno de los sensores Se iniciar explicando el mantenimiento para el sensor ST350 y luego para el SR50A 5 6 1 Sensor ST350 Debido a que ste sensor viene calibrado de f brica y totalmente sellado no existe un m todo manual para su calibraci n su mantenimiento es casi nulo Campbell s Scientific recomienda realizarle una recalibraci n cada 1 2 a os o cada 15 25 instalaciones en el caso de que se cambie de lugar constantemente Esto con el fin de minimizar la cantidad de mantenimiento requerido por el sensor Para esta recalibraci n se debe mandar el sensor a la f brica en Estados Unidos Se recomienda que cada cierto tiempo se revise que el valor de las resistencias entre los cables contin en siendo 1500 5 6 2 Sensor SR50A Al igual que el transductor ST350 el SR50A est dise ado para que su mantenimiento sea m nimo Por esto cuenta con los absorbentes de humedad que hacen que sta no entre al sensor por los huecos de ventilaci n Estos absorbentes cuentan con un gel que se mantiene de color azul mientras se encuentren en buen estado pero si cambian a color rosado deben ser reemplazadas debido a que stos se encuentran saturados Para revisarlos y reemplazarlos se debe seguir el mismo procedimiento visto en el apartado 5 4 2 pa
10. colocar una etapa intermedia entre el sensor y el Waspmote En cuanto al sensor de medici n de tensi n superficial ST350 exist an 3 alternativas de medici n las cuales comprend an la utilizaci n del Waspmote para 32 leer directamente la salida del sensor la segunda utilizar un circuito acondicionador de se ales y por ltimo la utilizaci n de un PIC para su lectura estas ltimas dos como etapas intermedias entre el sensor y el Waspmote Al evaluar cada una de estas alternativas se eligi la alternativa del CAS por su facilidad de implementaci n y bajo costo se descart la primera opci n porque el m dulo no realizaba correctamente la medida de las dos entradas anal gicas del sensor y su diferencia Los m dulos Waspmote funcionan como una red inal mbrica en donde cada m dulo es un nodo de la red y estos nodos se comunican a un nodo central el cual es Gateway que se conecta a la PC y le transmite la informaci n recibida a sta La informaci n es recibida en formato RS 232 por la PC mediante un programa realizado en Python y en Linux Este programa crea un archivo de Excel donde guardar la informaci n procesada y la enviar por FTP a un servidor Para verificar la validez de los datos obtenidos con el sensor para la medici n de la deflexi n se realiz un banco de pruebas en donde se realizaba la medici n del sensor y se le a el dato en el Waspmote para luego compararlo con la medici n realizada con un m
11. tlimo se har una descripci n detallada de los diferentes programas de software desarrollados para lograr el debido funcionamiento de los diferentes m dulos Se presentar n los diagramas de flujo para cada rutina y los algoritmos utilizados En la siguiente figura se muestra el diagrama de bloques que ilustra la topolog a de red escogida En este caso se utiliz una arquitectura de red con topolog a estrella debido a que esta es la nica que se puede implementar con los nodos Waspmote con los que se contaba para el desarrollo del proyecto i i z Sensor de Nodo Deflexi n Waspmote RF Nodo Waspmote Central Sensor de tensi n be Nodo gt superficial faspmote Figura 16 Topologia de la red inalambrica de sensores utilizada 5 1 An lisis de soluciones y selecci n final A continuaci n se explicar n las diferentes soluciones encontradas para cada m dulo del sistema Se analizar cada una de ellas y se ver n sus ventajas y desventajas para as poder entender los criterios que llevaron a la selecci n de la soluci n final 5 1 1 Soluciones sensor de tensi n superficial ST350 Para la lectura de la medici n de la tensi n superficial con el sensor ST350 se plantearon 2 soluciones Este sensor como se vio en la secci n 3 2 2 y la figura 6 est formado por un puente Wheatstone en el cual la tensi n de salida va a ser la diferencia entre la tensi n medida en la se al
12. Cambiar el nombre con que se quiere identificar el sensor dentro de la red Se debe poner el nombre elegido en lugar de las palabras Tension superficial mostradas en la siguiente imagen 114 0O B i XBee_TS Tnicializaciones void setup fInicializando las librerias XBee xbee802 init XBEE_802_15_4 FREQ2_4G NORMAL xbee202 0N fHabilitacion de los 5Y de alimentacion para los sens PWR setSensorPower SENS_5Y SENS_0N USB begin F Para realizar pruebas con e USB println INICIO pinMode DIGITAL1 INPUT Se utiliza para la comparacion con datalogger Programa Principal void loop I 1F digitalRead DIGITAL1 1 f Para las pruebas con el datalogger long analogico analogRead ANALOGL Lectura de Utils setLED LEDG LED_OM fUSB println voltaje USB println sensor fi inalambric xbee802 send 00134200403D6C81 envio Envio inalambrico Utils setLED LEDO LED_OFF delay 1000 OOOO OR K FIN DEL PROGRAM A OOO OR oo ooo as Figura A 2 5 3 Cambio del nombre que identifica el sensor en la red Dar click en el bot n Verify el cual compila el programa este bot n se se ala con la flecha en la siguiente figura 115 2 XBee_TS Waspmote IDE 01 File Edit Sketch Tools Help gt 16 2 gt 8 verity XBee_TS fInicializaciones void setup Inicializando las librerias XBee xbee802 ini1t XBEE_802 15 4 FREQ2 46 NORMAL x
13. dato 0 F else if n 3 dato3 dato dato 0 H else if n 4 dato4 dato dato dato1 10006 dato2 100 dato3 10 dato4 Calculo de la medicion fUSB println dato Dato a enviar inalambricamente xbee802 send 00134200403D6C81 envio Envio inalambricamente dato 0 n O N F while digitalRead DIGITALS 1 1 F f AOOO E E E R O ET Y DEL TRUE MAP ORR OR OR O EO K OK eS Figura A 2 5 9 Cambio del nombre que identifica el sensor en la red Dar click en el bot n Verify el cual compila el programa el cual se se ala en la figura A 2 5 4 Si la compilaci n fue exitosa aparecer el mensaje de Done compiling en la parte de debajo de la ventana 122 6 Se debe conectar el Waspmote a la PC con el cable USB y encender el Switch ON OFF Se debe tener desconectado el mddulo XBEE de transmisi n inal mbrica 7 En el Waspmote IDE ir a la pesta a Tools Serial Port y elegir el puerto en el que se encuentra conectado el m dulo 8 Para programar el m dulo dar click en el bot n de Upload que se muestra en la siguiente figura A 2 5 7 se alado con la flecha 9 Al igual que en el caso de la compilaci n si la programaci n fue exitosa mostrar el mensaje Done uploading 10 Apagar el Switch ON OFF conectar el m dulo XBEE y la PCB al Waspmote 11 Con el cable USB conectado encender el Waspmote y realizar una medici n inicial para conocer la distancia a la que se encuentra e
14. n en el material para el sensor ST350 oooooonnncccccccncccnnnnnnnonancnnncnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnno 128 Figura A 2 5 17 Comando para correr el programa en la consola de Linux 129 Figura B 1 1 Hoja de datos del Waspmote ooooooccccccccncccccccnonanoncccnnnnnccnnnnnana nacen 130 Figura B 1 2 Caracter sticas generales de los m dulos XB8 ooooccccccnnccccnccoo 131 Figura B 2 1 Especificaciones generales para el sensor ST350 ooooccccnnnncccnncco 132 Figura B 2 2 Calibraci n del sensor ST350 con n mero de serie B2465 133 Figura B 2 3 Especificaciones sobre la calibraci n del sensor ST350 134 Figura B 3 1 Especificaciones generales del sensor SR5DA oooocccccccccccccccacanncoos 135 INDICE DE TABLAS Tabla 1 Valores de tension de salida medidos con el datalogger y con el sistema y su porcentaje de MOE ora parana 80 Tabla 2 Distancias medidas con el sistema y el metro para el sensor SR50A 82 Cap tulo 1 Introducci n 1 1 Antecedentes En Costa Rica se ha hecho cada vez m s com n escuchar en los medios de comunicaci n noticias sobre los problemas existentes en el pa s debido al deterioro de los puentes y la infraestructura de transporte en general Al revisar las noticias del a o 2010 se puede observar que m s de 900 tienen relaci n con el tema de mantenimiento y fallas en los puentes de Costa Rica Como ejemplo se tienen el derrumbe del puente de hamaca sobre el R
15. n utilizado en la medici n del estr s provocado por alg n evento en las estructuras de concreto En la medici n de la deflexi n presente en el puente debido al peso de los autos que transitan en l se seleccion el sensor SR50A L de Campbell Scientific el cual es un sensor ultras nico para medir la distancia desde un punto y cuenta con una precisi n de 0 25mm Para cada uno de estos sensores se dise un circuito acondicionador de se ales CAS el cual se conecta con el nodo de medici n para el cual se utiliza la tecnolog a de los nodos Waspmote del fabricante espa ol libellium el cual se explicar m s adelante Estos circuitos acondicionan la se al para que pueda ser procesada por el nodo de medici n dentro de los rangos el ctricos permitidos Para la transmisi n inal mbrica de la informaci n de cada sensor se conecta a cada uno de los m dulos Waspmote un m dulo XBee que se utilizan para la comunicaci n en bandas de frecuencia libre de 2 4 GHz Con esto se crea una red de sensores que se comunican a un nodo central el cual recibe la informaci n y la env a a una PC En el computador se procesa la informaci n y se env a por FTP a un servidor central en el cual se puede visualizar esta informaci n y procesarla seg n las necesidades de post procesamiento del usuario final 15 Para la comprobaci n del correcto funcionamiento del sistema se comparan los datos obtenidos por medio de la red inal mbrica de
16. que durante la secuencia en que el sensor est tomando las muestras no existen cambios de temperatura Esto debido a que el sensor se coloca de tal forma que tome la misma deformaci n de la estructura Por lo tanto si se da un incremento o decremento de temperatura significativos provocar que la estructura se expanda 21 o contraiga lo cual ser registrado por el sensor Asi si el sensor se colocar por un periodo largo de tiempo se debera reiniciar a cero periddicamente 7 Especificaciones generales 7 Calibre de longitud efectiva 76 2 mm Tama o 111mm x 32mm x 13mm Longitud de cable estandar son 3m pero se puede utilizar cualquier longitud Material aluminio Rango de temperatura 50 C a 85 C Entorno cobertura protectora y resistente al agua Se recomienda una tensi n de excitaci n entre 2 5 y 5V DC Est formado por un puente Wheatstone completo con 4 resistencias de 3500 El circuito se puede observar en la figura 6 a N N wn e A G 3509 3509 Te S DE Y A N w S ae gt 350n 3500 S lt TL QQ S ON S A SHIELD Figura 6 Diagrama el ctrico del sensor ST350 de Campbell Scientific 7 La salida del circuito se define de la siguiente manera V a Sig Sig 3 2 2 1 Si Vout es positivo hay tensi n en la superficie Si Vout es negativo hay compresi n en la superficie 22 3 2 3 Circuito Acondicionador de Se ales CAS 17 Los circuitos acondicionad
17. queda de la siguiente forma 44 60000000000 00090909000 OOOGOOO00000 Figura 22 Esquematico del hardware disenado para el sensor ST350 5 2 2 M dulo para el procesamiento de la se al del sensor SR50A Para el procesamiento de la se al del sensor SR50A se utiliz un PIC18F4550 y un MAX232 el cual se encarga de transformar la se al en formato RS232 entregada por el sensor a TTL para poder ser le da por el PIC ste ltimo se encarga de tomar el dato proveniente del MAX232 la procesa y la env a por puerto digital al Waspmote Para poder realizar lo anterior se utiliza un cristal de 4MHz conectado a dos condensadores de 20pF y un sistema para el reset manual del PIC Para la elecci n de los valores de los capacitores para el MAX232 se tom el esquema b sico que se puedo observar en la hoja de datos del componente 45 5VINPUT 3 TOP VIEW Vcc Cit syto 10V C1 VOLTAGE DOUBLER C2 104TO 10V y C2 VOLTAGE INVERTER MAX220 MAX232 C2 MAX232A TTL CMOS RS 232 INPUTS OUTPUTS DIP SO CAPACITANCE uF TTL CMOS DEVICE c1 C2 OUTPUTS MAX220 471 47 MAX232 10 10 MAX232A 0 1 01 Figura 23 Esquema utilizado para el MAX232 14 Con base en la figura anterior se eligieron todos los condensadores de 1uF y la alimentaci n se toma de los 5V entregados por el Waspmote Los pines elegidos para la conexi n con el sensor y con el PIC son e Pin 11 patilla del transmi
18. resultados en los cuales para una tensi n de entrada de 1 96V se obtuvo una salida de 0 00V y para una entrada de 1 96V una salida de 3 24V Esto se acerca mucho a los valores esperados para este circuito en donde se debe recordar que los componentes utilizados no son ideales aparte de que las fuentes utilizadas y la protoboard pueden adicionarle un ruido peque o a la medici n y por lo tanto es muy dif cil lograr valores exactos pero lo importante es que se obtuvieron valores muy cercanos a stos Luego se procedi a conectar todo el sistema para la lectura y an lisis del sensor ST350 Para esto se program el datalogger CR1000 para enviar una se al al Waspmote con el fin de que el momento de la medici n fuera el mismo As se conect el sensor al circuito restador ste al CAS y la salida al Waspmote Se utiliz el sensor con el n mero de serie B2465 y se conect paralelamente a ambos al sistema y al datalogger utilizando la alimentaci n del datalogger Los resultados obtenidos se observan en la tabla 1 En esta tabla se calcularon los porcentajes de error entre la medici n del datalogger y la del sistema dise ado Se puede ver que se obtienen errores menores a 5 95 lo cual concuerda con lo esperado debido a que ning n equipo o componente utilizado es exacto ni ideal tanto el datalogger como el Waspmote y los circuitos dise ados cuentan con un error asociado pero se pueden tomar las mediciones como significativa
19. se hace mediante el puerto digital D del PIC Primero se envia por este puerto el primer caracter se hace un retraso delay de 10ms se vuelve a poner este puerto en O y se repite el retraso de 10ms Lo anterior se repite 3 veces m s para enviar los 4 datos de la distancia Una vez que se ha enviado el dato medido al Waspmote se reinicializan las variables de control a O y se vuelve al inicio del programa a consultar si ya se han le do los primeros 15 caracteres de la trama El PIC hace una interrupci n en lo que est realizando cuando haya un dato disponible en el puerto serie Si es as revisa la bandera de interrupci n lee el dato aumenta el contador de caracteres recibidos y pone en bajo la bandera 53 Interrupci n por puerto serie Hay dato en puerto serie Programa principal Figura 32 Rutina de interrupci n por puerto serie 5 3 2 Red inal mbrica de sensores Para la programaci n de la red inal mbrica de sensores se tuvieron que realizar varias rutinas Una para la lectura de cada uno de los dos sensores utilizados el de medici n de tensi n superficial y el de deflexi n y por ltimo la programaci n de los m dulos XBee Los m dulos Waspmote fueron programados con el entorno de programaci n IDE Waspmote el cual se puede descargar de la p gina de internet de Libelium Como se mencion anteriormente este entorno usa Arduino como lenguaje de programaci n el cual se basa en C C Todo pro
20. BDI Strain Transducer Connections Excitation Blacks SSCS Excitation Green Signal White Signal Grey Shield NIST Reference BDI certifies the above BDI ASTCS instrument meets or exceeds published specifications and has been verified using standards and instruments whose accuracies are traceable to the National Institute of Standards and Technology NIST an accepted value of a natural physical constant or a ratio calibration technique The calibration of this instrument was performed in accordance with the BDI Quality Assurance program Measurements and information provided on this report are valid at the time of calibration only Note For proper use of the General Gage Factor if using a data acquisition system other than a BDI Structural Testing System BDI STS or STS WiFi please refer to the BDI document entitled Applying Calibration Factors for BDI Strain Transducers available at www bridgetest com Figura B 2 3 Especificaciones sobre la calibraci n del sensor ST350 134 Anexo B 3 Sensor SR50A SR50A Sonic Ranging Sensor 1 Specifications Power Requirements Power Consumption Measurement Time Selectable Outputs Measurement Range Accuracy Resolution Required Beam Angle Clearance Operating Temperature Maximum Cable Length Cable Type Dimensions Weight Sensor Cable SR50A 15 feet 9 to 18 Vde Quiescent SDI 12 Mode 1 0 mA n RS 232 RS485 Mode lt 2 25 mAX
21. Figura 64 Servidor donde se enviar el archivo por FTP eeeeeeeeeseeeeeeeeeees 90 Figura 65 Env o del archivo por FTP stat 91 Figura 66 Archivo csv creado por la PC cccceeeeeeeeeeeeeneeeeeeeeeeeeeeeenneeeeeeeees 92 Figura 67 Recepci n en el servidor FTP del archivo ooooocconcoccccccnnoocccccnnnaanncnnnnno 93 Figura A 2 1 1 Marcas para la alineaci n 7 oooooocccccnnccocinicicocccoconnnccnnananann cnn 104 Figura A 2 1 2 Instalaci n del sensor SR50A 7 oooooocccccccccccconoccnonicccnnanaaaannnnns 105 Figura A 2 2 1 Remover los tornillos de la cubierta del transductor SR50A y desconectar los Cables 6 occocnnnnnnncccccnnnnnnnccnnnonnccncncnonnnnnnnnnnnnncnnnnnnnnnns 106 Figura A 2 2 2 Absorbentes de humedad del sensor SR50A 6 107 Figura A 2 2 3 Remover tornillos para exponer la PCB del SR50A 6 107 Figura A 2 2 4 PCB del SR50A 6 uiooada cielo pera eee eeies 108 Figura A 2 2 5 Men en el hyperterminal para la configuraci n del sensor SR50A A AAEE AEEA VEEE vn Owe AEEA AET 109 Figura A 2 2 6 ngulo de medici n del sensor 6 c cccccceeeeeeseeteeeeeeeen 110 Figura A 2 2 7 Distancia de la parrilla frontal a la cubierta de pl stico 6 110 Figura A 2 2 8 Montaje utilizando el Kit de montaje 19517 6 oooconinn 111 Figura A 2 2 8 Montaje utilizando un cilindro y el UN RAIL 6 111 Figur
22. Luego se crea el arreglo de caracteres que se enviara el cual contiene el identificador del sensor y el dato Se envia este arreglo inalambricamente al nodo central y se reinician las variables de control a cero para volver al inicio del programa y esperar un dato nuevo 5 3 2 3 Programacion de los m dulos XBee 802 15 4 En una red inal mbrica formada con los m dulos XBee cada uno de los m dulos debe estar programado con una serie de par metros iguales que son los que lo identificaran de otras redes Estos par metros son los siguientes 12 e PAN ID es un n mero de 16bits que identifica la red debe ser diferente al n mero de otras redes y todos los nodos de la red deben tener el mismo PAN ID e Canal define el canal de frecuencia usado por la red para transmitir y recibir Cuenta con 16 canales entre 2 4GHz y 2 48GHz Como se eligi realizar la transmisi n sin API no se necesitan otros par metros como el identificador y la direcci n de los nodos Para la programaci n de los m dulos se utiliz el software libre X CTU de Digi el cual sirve para la configuraci n y prueba de radio m dems En l se pueden realizar pruebas de comunicaci n con el m dem y realizarle las configuraciones necesarias En la siguiente figura se observa la pantalla principal del programa 58 PC Settings Range Test Terminal Modem Configuration m Com Port Setup Select Com Port Baud 38400 v Flow Control NONE v Data B
23. O O B gt E Upload XBee_TS JARA RR RR Rd dd dodo dodo dodo Este programa comunica el waspmote con el sensor y envia el dato medido inalambricamente a la PC creado por Eugenia Guzman Rivera EEE EE E E E E E E EE E E E E E E E E E E E E EE E E E E E E E E OHI AC y Declaracion de variables long dato 20 char envio 10 fInicializaciones void setup i fInicializando las librerias XBee xbee802 init XBEE_802_15 4 FREQ2_4G NORMAL xbee802 0N fHabilitacion de los 5 de alimentacion para los sensores PWR setSensorPower SENS 5 SENS ON f USB begin fPara realizar pruebas con el USB f USB println INICIO pinMode DIGITAL1 INPUT Se utiliza para la comparacion con _ os Figura A 2 5 7 Programaci n del m dulo Waspmote 9 Al igual que en el caso de la compilaci n si la programaci n fue exitosa mostrar el mensaje Done uploading 10 Apagar el Switch ON OFF desconectar el cable USB conectar el m dulo XBEE y la PCB al Waspmote 119 Conexion del sistema para el sensor SR50A La PCB dise ada para el sensor SR50A consta de un MAX232 que se encarga de transformar la trama enviada por el sensor en formato RS 232 a TTL y un PIC18F4550 el cual recibe la trama e identifica la el dato de la medici n para enviarlo al Waspmote Para la programaci n del m dulo Waspmote en el cual se realizar la recepci n de datos del PIC para la medici n de la deflexi n se deben seg
24. Otro factor importante es que se deb an encontrar equipos y sensores que no necesitaran mantenimiento ni calibraciones constantes debido a que si se van a instalar debajo de un puente estarlos poniendo y quitando significar a un costo elevado para el pa s Adem s ser capaces de soportar estar al aire libre sin preocuparnos de su oxidaci n o cualquier otro da o ocasionados por humedad cambios de temperatura entre otros 31 4 3 Evaluaci n de las alternativas y s ntesis de la soluci n Para el planteamiento de las alternativas para la soluci n se utiliz la investigaci n en internet y las consultas con el profesor asesor del proyecto ya que la coordinaci n del proyecto hab a elegido algunos equipos que deb an ser utilizados como los Waspmote de Libellium y el sensor de tensi n superficial Las alternativas de soluci n deb an leer los datos del sensor y convertirlos a un valor que pudiera ser le do por el Waspmote para luego que ste lo enviara a la PC y de ah se almacenaran los datos en un servidor Para verificar que las lecturas realizadas de cada sensor fueran veraces se utilizaron las simulaciones y las pruebas controladas de laboratorio Adem s de la comparaci n de los resultados obtenidos con los desplegados por el datalogger el cual ya est programado para leer ese tipo de sensores Con las simulaciones se logr verificar que las alternativas eran viables con las salidas de los sensores y los voltajes de
25. Waspmote en el cual se realizar la recepci n de datos del sensor ST350 para la medici n de la tensi n superficial se deben seguir los siguientes pasos 1 Abrir el software Waspmote IDE para la programaci n de los m dulos 2 sketch_dec21a Waspmote IDE 01 File Edit Sketch Tools Help CIOJE sketch_dec2la Figura A 2 5 1 Waspmote IDE 113 2 Abrir el archivo XBEE_TS 2 XBee_TS Waspmote IDE 01 File Edit Sketch Tools Help XBee_TS Prt ttt ol de a rr od od ol o od od tt ttt ttt tt tt ttt ttt tt tt ttt te ttt te ee tt ee ol Este programa comunica el waspmote con el sensor y envia el dato medido inalambricamente a la PC Creado por Eugenia Guzman Rivera HIERRO IE E E RE IR IRIK OIG OIG COO CHOI AHO 7 Declaracion de variables ong dato 20 har envio 10 fInicializaciones oid setup fInicializando las librerias XBee xbee802 init XBEE_802 15 4 FREQ2 46 NORMAL xbee802 0N 0 fHabilitacion de los SY de alimentacion para los sensores PWR setSensorPower SENS _5V SENS_ON fUSB begin fPara realizar pruebas con el USB fUSB printin Ih pinMode DIGITAL NPUT Se utiliza para la comparacion con datalogger Programa Principal oid loop 1F digitalRead DIGITAL1 1 Para las pruebas con el da long analogico analogRead ANALOG1 fLectura del sensor Utils sati ENMEDA LED AMI 4 Figura A 2 5 2 Programa para la lectura del sensor ST350 en el Waspmote 3
26. de la curva de calibraci n para el sensor ST350 if ts 0 prom_TS prom TS prom TS 3 3 1023 prom TS 1000 prom TS 1 6 82 5 Ecuacion para el calculo de la tension en la superficie print promedio TS print prom_TS Figura A 2 5 16 Definici n de la ecuaci n para el c lculo de la tensi n en el material para el sensor ST350 128 8 Una vez realizados estos cambios se deben guardar 9 Abrir la consola de Linux 10 Abrir la carpeta donde se encuentra guardado el programa 11 Correr el programa ingresando el comando python Lectura_USB py johcarvajal johcarvajal Documents e johcarvajal johcarvajal cd Documents johcarvajal johcarvajal Documents cd eu johcarvajal johcarvajal Documents eu python prueba py Figura A 2 5 17 Comando para correr el programa en la consola de Linux 12 El programa empezar a correr y mostrar los datos recibidos en la consola de Linux adem s de que se crear el archivo con la fecha en la misma carpeta donde se encuentra el programa 13 Cuando finalice el d a se enviar el archivo por FTP y se crear un nuevo archivo donde se guardar n los datos del siguiente d a 129 Anexos Anexo B 1 Hoja de datos de los m dulos Waspmote Waspmote Datasheet Waspmote Caracter sticas Generales Microcontrolador ATmegal 281 Frecuencia SMHz SRAM 8K8 EEPROM 4K8 FLASH 128KB SD Card 2G8 Peso 20gr Dimensiones 73 5 x 51 x13 mm Rango d
27. de resultados para el sensor ST350 Para el sensor encargado de la medici n de la tensi n superficial ST350 de Campbell s Scientific se dise un sistema capaz de leer su salida e interpretarla Este transductor est formado por un puente Wheatstone mostrado en la figura 6 en donde su salida corresponde a la diferencia de tensi n entre 2 nodos del circuito Para poder obtener esta diferencia se dise un circuito restador con una amplificaci n de 100 y adem s se dise un circuito acondicionador de se ales encargado de acondicionar la salida del restador para poder ser le da por el 93 m dulo Waspmote el cual debe leer el dato analizarlo y enviarlo inalambricamente al nodo central En las figuras 53 y 54 se observan los resultados de las simulaciones realizadas a este circuito utilizando Multisim Como se puede observar en la figura 53 los valores de salida no son los esperados de OV a 3 3V sino que se obtiene una tensi n m nima de 278mV y una m xima de 3 05V para una entrada senoidal que va de 2V a 2V Debido a esto se var o la tensi n de referencia a la entrada del CAS hasta obtener tensiones de salida de 26 2mV a 3 31V los cuales se acercan mucho m s a los valores esperados En el laboratorio se mont el CAS y se le realiz la misma prueba que a la simulaci n Se le conect una entrada senoidal de 1 96V a 1 96V y con un osciloscopio Tektronix se midi su salida En la figura 55 se pueden observar los
28. explica el procedimiento seguido para la comprobaci n de su funcionamiento y las im genes de los resultados obtenidos As en la figura 59 se observa un pantallazo de la consola de Linux en donde se pueden ir observando los datos en la PC provenientes de los diferentes nodos Se observa que se recibieron datos de los 3 nodos conectados a la red Adem s como el dato enviado por cada nodo es un n mero sucesivo cuando el sensor de tensi n superficial env a el n mero 1 los dem s deber an enviar 11 y 21 y en esta figura se comprueba lo anterior Cada 15 segundos se realiza el c lculo del promedio de los datos recibidos simulando lo que realizar a el sistema en el cual cada minuto se calcula el promedio y se guarda el dato en el archivo Si calculamos el promedio de 14 datos en donde hay una sucesi n de 1 a 10 se obtiene 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 rom K 14 prom 4 6428 96 En la figura 60 se puede ver el archivo csv en el cual se guardan los datos de los promedios calculados En la primera columna se ve la hora a la cual se guard el dato y en las otras columnas los datos Se puede ver que en el caso de la tensi n superficial se tiene un promedio de 4 6428 que coincide con el promedio para una sucesi n de sumas de 1 a 10 En algunos casos el valor del promedio es mayor esto se debe a que el primer dato para el c lculo del promedio no siempre es 1 puede que la sucesi n comience en 5 y esto provoca que el pro
29. n de distancia con el SR50A debe estar ubicado al menos a 50cm de la cara del transductor y se debe cerciorar que no se encuentre demasiado largo ya que la maxima distancia que mide es de 9999mm Si se desea comparar la medici n utilizando un metro se deben agregar 8mm que es la distancia de la parrilla frontal del sensor hasta la cubierta de pl stico que se puede usar como referencia Figura A 2 2 7 Distancia de la parrilla frontal a la cubierta de pl stico 6 Para montar el sensor al lugar de medici n se debe colocar una barra de metal en donde se colocar el sensor Existen 2 m todos 110 e Usar el Kit de Montaje para este sensor el numero de la pieza es 19517 el cual se monta a la pieza CM206 la cual se puede observar en la figura 51 Figura A 2 2 8 Montaje utilizando el Kit de montaje 19517 6 e Montarlo sobre un cilindro de montaje que es la pieza n mero 19484 y sta pieza conectarla a un UN RAIL pieza n mero 1049 Figura A 2 2 8 Montaje utilizando un cilindro y el UN RAIL 6 111 A 2 3 Manual de mantenimiento para el sensor ST350 Debido a que ste sensor viene calibrado de fabrica y totalmente sellado no existe un m todo manual para su calibraci n su mantenimiento es casi nulo Campbell s Scientific recomienda realizarle una recalibraci n cada 1 2 a os o cada 15 25 instalaciones en el caso de que se cambie de lugar constantemente Esto con el fin de minimizar la cantidad de mant
30. n del servidor el usuario y la clave Se realiza la conexi n con ste y si la conexi n fue exitosa se env a el archivo a la ra z especificada por el usuario Si la conexi n no se realizara se le avisa al usuario que hubo un error El diagrama de flujo de la rutina de guardado se muestra a continuaci n 64 Cambio en la fecha Figura 41 Diagrama de flujo del guardado en el archivo En esta rutina lo primero que se verifica es que la fecha actual sea la misma del nombre del archivo ya que se tendran archivos diferentes para cada dia Si es la misma fecha se guarda los datos en el archivo y se regresa al inicio del loop para la recepci n de datos Si la fecha cambia se envia el archivo por FTP y se crea uno nuevo con la fecha actual se guarda los datos en este archivo y se regresa al inicio del programa 5 4 Calibraci n de sensores En este apartado se hablar sobre la calibraci n de cada uno de los sensores utilizados en este proyecto Primero se hablar sobre la calibraci n del sensor ST350 utilizado para la medici n de la tensi n superficial y luego se hablar sobre el SR50A que es un sensor ultras nico para la medici n de la deflexi n 5 4 1 Sensor ST350 para la medici n de la tensi n superficial Los sensores ST350 vienen calibrados de f brica y no existe un proceso de calibraci n manual Antes de utilizar un sensor nuevo se debe comprobar su correcto funcionamiento Para esto se debe medir con u
31. ot Nr o o o om a o a o lt Figura 13 Conectores l O en Waspmote 13 Tambi n posee 8 pines digitales que pueden ser configurables como de entrada o de salida Los valores de tensi n digitales son e OV para el 0 l gico e 3 3V para el 1 l gico El pin digital 1 tambi n se puede utilizar como salida PWM que tiene una resoluci n de 8 bits Para comunicarse v a serial el waspmote cuenta con 6 puertos serie uno que est conectado al m dulo XBee y el otro al puerto USB 27 Luego existe un multiplexor de 4 canales 1 canal para el m dulo GPRS otro al GPS y los ltimos 2 quedan accesibles al usuario Adem s en Waspmote tambi n cuenta con el bus de comunicaci n 12C donde se conectan en paralelo el aceler metro el reloj de tiempo real RTC y el potenci metro que configura el nivel de threshold de alarma por bater a baja En todos los casos el microcontrolador es el maestro y los dispositivos son los esclavos En cuanto al puerto SPI se encuentra conectado con la tarjeta micro SD y por ltimo est el puerto USB el cual se puede comunicar con cualquier PC o dispositivo compatible Con este puerto se carga el programa al microcontrolador y se comunican los datos durante la ejecuci n del programa Para las indicaciones visuales Waspmote cuenta con 5 LED s los cuales se pueden observar en la figura 14 2 Moo o pare o lo a OMT s o9 pr Mo n
32. seguido del dato y este arreglo es el dato que se env a Por ltimo se realiza un retraso de un segundo para empezar de nuevo con la lectura del puerto anal gico 5 3 2 2 Programaci n del Waspmote para la medici n de la deflexi n Para la programaci n del Waspmote que se encarga de leer el dato proveniente del PIC que lee el sensor SR50A se utilizan las primeras 5 entradas digitales las cuales se configuran como entradas En la siguiente figura se observa el diagrama de flujo del programa principal para este m dulo 56 Figura 34 Diagrama de flujo del Waspmote para la lectura de la medici n de la deflexi n 57 La entrada digital 5 se toma como control para que el Waspmote conozca cuando hay un dato disponible En caso de que hay un dato disponible se lee las entradas digitales y se forma el dato de la siguiente forma e Entrada digital 4 1 al dato se le suma 8 e Entrada digital 3 1 al dato se le suma 4 e Entrada digital 2 1 al dato se le suma 2 e Entrada digital 1 1 al dato se le suma 1 Existe otra variable que controla cuantos datos han sido leidos si es el primer dato se guarda en una variable llamada Dato1 y se vuelve al inicio del programa Si es el segundo o tercer dato se realiza lo mismo pero en las variables Dato2 y Dato 3 Cuando es el 4to dato leido se guarda en la variable Dato4 y se forma el dato medido de la siguiente forma dato Dato 1000 Dato2 100 Dato3 10 Dato4 5 3 2 2 1
33. tensi n de 5V para la alimentaci n del sensor SR50A Buscar una mejor alternativa para la medici n de la deflexi n ya que un tiempo de muestreo de 1 minuto es muy alto para los requerimientos del sistema 99 100 Bibliografia 1 Arqhys Architects Site Deflexi n de sistemas estructurales En linea http www arghys com construccion deflexion sistemas estructurales html Visitado el 14 de diciembre del 2010 2 Autor desconocido Amplificadores Operacionales En l nea http www Icardaba com articles opamps html Visitado el 05 de octubre del 2011 3 Autor desconocido El Protocolo FTP En l nea http neo lcc uma es evirtual cdd tutorial aplicacion ftp html Visitado el 10 de mayo del 2011 4 Autor desconocido Python Subir archivos a un FTP En l nea http nideaderedes urlansoft com 2008 09 03 python subir archivos a un ftp Visitado el 20 de junio del 2011 5 Campbell Scientific Inc CR1000 Measurement and Control System En linea http Awww campbellsci com documents manuals cr1000 pdf Visitado el 10 de setiembre 2011 6 Campbell Scientific Inc SR50A Sonic Ranging Sensor Instruction Manual En linea http www campbellsci com documents manuals sr50a pdf Visitado el 20 de junio del 2011 7 Campbell Scientific Inc ST350 Strain Transducer Instruction Manual En linea http www campbellsci com documents manuals st350 pdf Visitado el 20 de junio del 2011 8 eScience Group Modelo de predicci n d
34. tensi n superficial se debe a que los equipos y componentes utilizados no son ideales El sistema desarrollado para el sensor ST350 cuenta con porcentajes de error bajos que muestran que el sistema trabaja correctamente El sistema desarrollado para la medici n de la deflexi n obtuvo porcentajes de error menores al 4 45 los cuales se deben a que los equipos utilizados no son ideales y a posibles errores de paralelaje en la medici n Los errores en la medici n de la deflexi n pudieron deberse a que no se contaba con un medio controlado No existieron p rdidas de datos en la transmisi n de la red inal mbrica de sensores El software realizado en la PC recibe la informaci n la procesa y la guarda en un archivo csv 10 La recepci n de datos y env o del archivo por FTP se realiza correctamente por el sistema 98 7 2 Recomendaciones Mejorar el sistema para la medici n de la tensi n superficial para lograr porcentajes de error menores al 5 Sustituir los circuitos desarrollados para la caracterizaci n del sensor ST350 por un amplificador de instrumentaci n Sustituir la PC por un sistema embebido debido a que se debe colocar y dejar permanentemente debajo de un puente Dise ar cajas selladas para aislar los circuitos de las condiciones ambientales Dise ar un circuito capaz de tener como salida 5V a partir de una tensi n de 5V Dise ar un circuito capaz de tener como salida 12V a partir de una
35. 6 20 Figura 5 Angulo de trabajo del SR50A 6 ococococococococicicicininincncncoconococorononononoss 21 Figura 6 Diagrama el ctrico del sensor ST350 de Campbell Scientific 7 22 Figura 7 Esquema general de un CAS 1 7 0oooooccccccccnncccconoccconononononanananancnnncnannn 23 Figura 8 Esquema b sico de un CAS 17 oooccccccccccccccconanananancnononcnonannnannncnnnnnnnns 24 Figura 9 Circuito b sico para UN CAS 17 ooooocccccccccnccconanananaccnononcnnnanananancnnnnnnnns 24 Figura 10 Esquema alternativo de un CAS 17 0oooocccccccccccccococononcnonananananccnnnnnnns 25 Figura 11 Circuito alternativo para un CAS 17 oooooocccccccccacaccnonincnnnananananncnnnnnnns 25 Figura 12 M dulo Waspmote 13 ooooccnnnnnncccccccnnnncccnncncnancncnnnnncnnnnnnnnrncncnnnnnnns 26 Figura 13 Conectores I O en Waspmote 13 ooooocccccnniccccccccccccncncnanananacccnnninons 27 Figura 14 Indicadores LED s en Waspmote 13 ccceceeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeees 28 Figura 15 Protocolo PMA tasa ata 29 Figura 16 Topolog a de la red inal mbrica de sensores utilizada 35 Figura 17 Estructura de trama API zigbee 12 ooooccnnnnncciccccccnnnccccancnaancncnnnnnons 39 Figura 18 M dulos de hardware para el sensor ST3DO ooooccccccccnnccccccnccaoanncnnnnnnn 40 Figura 19 Esquema b sico de un circuito restador con OPAMPs 2 40 Figura 20 Circuit
36. IC para el sensor SR50A seguido de los algoritmos para los Waspmote y los m dulos XBee Luego se explicar detalladamente el programa realizado para la recepci n procesamiento y env o de la informaci n en la PC Por ltimo se hablar de los programas utilizados para la recepci n de la informaci n en el servidor que es el que recibir los datos v a FTP y los almacenar para su posterior an lisis 5 3 1 Programaci n del PIC para el sensor SR50A Para la programaci n del PIC18F4550 se utiliz el programa MPLAB de Microchip el cual es un software libre creado por esta empresa para la programaci n de sus componentes Adem s se utiliz el lenguaje de programaci n C18 el cual es un compilador de 32 bits para Windows En el programa implementado para el PIC se tienen 2 rutinas e Programa principal e Interrupci n por puerto serie El programa principal es el que lleva la mayor parte de c digo y es el que se encarga de procesar el dato recibido y enviarlo por puerto digital al Waspmote En la siguiente figura se observa el diagrama de flujo para esta rutina 50 Figura 30 Diagrama de flujo del programa principal para el PIC18F4550 Tomando como base la figura 30 se explicara detalladamente la rutina para el programa principal del PIC18F4550 Primero se configura el puerto serie de la siguiente forma 51 e Interrupci n por recepci n e Modo asincrono e Transmisi n y recepci n de 8 bits e Modo continu
37. Instituto Tecnol gico de Costa Rica Escuela de Ingenieria Electronica Diseno de una red inalambrica de sensores para la monitorizacion del desempeno estructural de puentes Informe de Proyecto de Graduacion para optar por el titulo de Ingeniera en Electr nica con el grado acad mico de Licenciatura Eugenia Mar a Guzm n Rivera Cartago Enero del 2012 INSTITUTO TECNOLOGICO DE COSTA RICA ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRONICA PROYECTO DE GRADUACION TRIBUNAL EVALUADOR Proyecto de Graduaci n defendido ante el presente Tribunal Evaluador como requisito para optar por el t tulo de Ingeniero en Electr nica con el grado acad mico de Licenciatura del Instituto Tecnol gico de Costa Rica Miembros del Tribunal sco Navarro Henr quez Dr Alfonso Chac n Rodr guez Profesor lector Profesor lector Profesor asesor Los miembros de este Tribunal dan fe de que el presente trabajo de graduaci n ha sido aprobado y cumple con las normas establecidas por la Escuela de Ingenier a Electr nica Cartago 23 de enero del 2012 Declaratoria de autenticidad Declaro que el presente proyecto ha sido realizado enteramente por mi persona utilizando y aplicando literatura referente al tema e introduciendo conocimientos propios En los casos en que he utilizado bibliograf a he procedido a indicar las fuentes mediante las respectivas citas bibliogr ficas En consecuencia asumo la responsabilidad total por el trabajo rea
38. LM324 LM2902 Low Power Quad Operational Amplifiers En l nea http www ti com lit ds symlink Im324 n pdf Visitado el 06 de junio del 2011 102 Ap ndices A 1 Glosario abreviaturas y simbologia BaudRate n mero de unidades de se al por segundo Datalogger dispositivo electr nico para grabar datos de mediciones de diferentes par metros Deflexi n deformaci n que sufren los elementos estructurales alargados como las vigas en direcci n perpendicular a su eje longitudinal al aplicarle una carga Microcontrolador circuito integrado programable capaz de realizar las rdenes programadas en su memoria PCB circuito impreso Protocolo FTP protocolo de transferencia de archivos entre los clientes conectados a una red TCP Python lenguaje de programaci n de alto nivel Linux sistema operativo de software libre similar a Unix RS232 interfaz dise ada para el intercambio de una serie de datos binarios entre un transmisor y un receptor Tensi n superficial deformaci n en el material debido a la tensi n generada por una carga Transductor dispositivo capaz de transformar un tipo de entrada de energ a en otro tipo diferente de salida Ultras nico onda sonora de frecuencia mayor a la audible por el o do humano 103 A 2 Manuales de usuario A 2 1 Manual de instalaci n del sensor ST350 7 Alineaci n El sensor solo podr medir tensi n en el eje en que se encuentra alineado por lo tanto e
39. Sig y la se al Sig Tomando en cuenta lo anterior la primera soluci n propuesta fue la lectura directa del sensor por parte del Waspmote Para esto se tomar a la alimentaci n para el sensor de los 5V con los que cuenta el m dulo Waspmote para la alimentaci n de 35 sensores Adem s se conectarian las dos salidas del ST350 con dos de las entradas anal gicas de este equipo As se tomar a cada segundo una medici n de cada puerto anal gico y se procesar a la medici n hasta obtener la tensi n de cada entrada y su diferencia para luego enviar el dato inal mbricamente de este nodo al nodo central Esta soluci n presentaba la ventaja de ser m s econ mica que las dem s debido a que no se necesitaba una etapa intermedia entre el sensor y el Waspmote y adem s resultaba una soluci n sencilla simplemente hab a que realizar un PCB que conectara las entradas del sensor con las entradas anal gicas y la alimentaci n del m dulo El problema con esta soluci n se vio en el momento de realizar las pruebas Al conectar el sensor con el Waspmote y realizar mediciones stas no variaban a la hora de agregar o quitarle peso a la estructura a la que estaba conectado el sensor Lo anterior puede ser causado por la velocidad de conversi n y de muestreo del ADC del procesador ATmega1281 Este problema no se pudo solucionar debido a que el lenguaje de programaci n de los waspmote es poco flexible y no permite la modificac
40. Transducer Output mV 1 351819 3 1810163 7 507 950197 2 385795 819 275764 2 951250 gt 1129 247243 3518373 METETE 1439 610250 7 1629074334 1742 901000 E it 2175 435011 2 2121 388861 174 049374 1013 329939 1439 610250 1 549542 2121 676421 _ 1393 203136 437232653 597 572664 2 Laie 7 Strain micro strain Transducer Output mV Mean Linear Correlation Coefficient LCC 9 99986377E 1 LCC Standard Deviation 2 530820E 7 Calibrated By ACP Signature iea Date Time 7 28 2010 10 14 AM Temperature 26 642 Figura B 2 2 Calibraci n del sensor ST350 con n mero de serie B2465 133 Specifications BDI Automated Strain Transducer Calibration System BDI ASTCS BDI ASTCS Calibration Information BDI ASTCS Serial Number BDI CAL 0001 BDI ASTCS Software Version BDI ASTCS Independent Verification Date 1 1 2010 Strain Transducer Gage Length Applied Full Scale Displacement Range 0 006 inches 0 015 mm Method for Applying Displacement Precision Step Motor Coupled to Linear Stage Excitation Voltage for Calibration 2 5 VDC Displacement Measurements Dual Precision AC LVDT s Output Averaged Displacement Certification NIST Certificate 729970 amp 821 274437 07 Linearity Verification Technique Linear Correlation Coefficient gt 0 9999 Standard Deviation lt 0 5 of mean BDI ASTCS System Check B2296 488 030 e mV V 5 556362E 3 5 606809E 3 7 28 2010 9 55 AM
41. _deflexion 0 JE RI ONO RR RR RARA RRA RARA RARA RRA RRA RARA AR Figura A 2 5 12 Configuraci n del puerto serie en el programa Lectura_USB py 4 Se debe declarar la variable Dist_inicial con el valor medido para el sensor SR50A el cual es la distancia inicial del sensor al blanco PERE H HEA EAE EEA KEKE EKEKEEEKEDOCLQrACION de Variables aadla SOS IOlSSdlalaloSlojlaloja lalola lojolblojolojoiolok fecha time strftime Y m d Configuracion del formato de la fecha fecha_arc fecha ser serial Serial dev ttyUSB1 38400 Configuracion del puerto serie fecha_arc fecha y 0 deflexion 0 Lvdt 0 TS 0 prom _deflexion 0 prom_LVDT 0 prom TS 0 d 0 1 0 ts 0 i 0 PRA jjajaja jajajajajajaja lolo EEE oooO Figura A 2 5 13 Declaraci n de la variable de distancia inicial para el sensor SR50A 126 5 En la funci n FTP se deben ingresar los datos del servidor al cual se enviar el archivo 11 4 Lo del archivo por FTPEAAAERAAAAERARERAARRAREARERARRAA def FTP print enviar ftp ftp servidor ww ie itcr ac cr Direccion del servidor ftp_usuario jcarvajal Usuario ftp_clave 12345678 Contrasena ftp raiz web ebridge Carpeta donde se guardara el archivo fichero origen fecha arc csv Nombre del archivo a enviar print fichero_origen try s ftplib FTP ftp servidor ftp usuario ftp clave try f open fichero origen rb s cwd ftp_ raiz s storbinary STOR fichero orige
42. a A 2 5 1 Waspmote IDE oonooocccnnonicocicnnaniconcninncnccnennnnnocnnenananon cnn nanancenenn 113 Figura A 2 5 2 Programa para la lectura del sensor ST350 en el Waspmote 114 Figura A 2 5 3 Cambio del nombre que identifica el sensor en la red 115 Figura A 2 5 4 Compilaci n del programa cooooncccocccccncccccnnnnnnnnnnncnnnnncnnnnnnnnnnnncnos 116 Figura A 2 5 5 Verificaci n de que la compilaci n fue exit0Sa ooocccccnnncccccccs 117 Figura A 2 5 6 Conector para el cable USB y el Switch de ON OFF en el asp e a E Ate Ne he lea 118 Figura A 2 5 7 Programaci n del m dulo Waspmote ecceeeeeeeeeeeeeeeeees 119 Figura A 2 5 8 Programa para la lectura del sensor SR50A en el Waspmote 121 Figura A 2 5 9 Cambio del nombre que identifica el sensor en la red 122 Figura A 2 5 10 Serial Monitor del Waspmote IDE c ceeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeees 124 Figura A 2 5 11 Abrir archivo Lectura_USB PY ooooococcccnccccocononanoncccnnnnncnnnnanananonons 125 Figura A 2 5 12 Configuraci n del puerto serie en el programa Lectura_USB py RR 126 Figura A 2 5 13 Declaraci n de la variable de distancia inicial para el sensor OI A A AAA 126 Figura A 2 5 14 Datos del servidor al que se enviar el archivo CSV 00 127 Figura A 2 5 15 Identificadores para Cada Sensor c ncononccccnnnoocccccnonanncncnnnannnnn 128 Figura A 2 5 16 Definici n de la ecuaci n para el c lculo de la tensi
43. a comparar este valor con el medido en el sistema El sensor se conect a la PCB desarrollada para ste con el PIC18F4550 y el MAX232 y esta PCB al Waspmote En la siguiente tabla se puede observar los valores medidos y el porcentaje de error entre la distancia medida con el metro y la medida con el sistema 81 Tabla 2 Distancias medidas con el sistema y el metro para el sensor SR50A Distancia ensor 25m m Distanciaexperimental Error ASS 23 2 O a o O 2 73 O ge 2 96 3 10 3 14 10 3 23 11 3 26 12 3 29 A Ju UL N Y 3 37 3 44 3 45 1014 1051 3 52 1095 1135 1186 1233 1254 1303 1386 1448 1503 1563 1531 1593 1594 1656 1719 1794 1680 1748 1480 1539 1250 1297 1171 1215 1105 1145 1046 1084 w w w gly nN N w N 00 N w Oo A p A N A Ww 288 u bip IES il N Z 82 Con la tabla anterior se construy el siguiente grafico en donde se pueden ver los valores medidos tanto con el sistema como experimentalmente para poder observar el comportamiento de ambos Mediciones de distancia para la deflexi n Sistema E 1200 S 1000 c g 2 a Metro 1 3 5 7 9 1113 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 N mero de medici n Figura 58 Gr fico de la distancia medida para el sistema y experimentalmente para el sensor SR50A 6 1 3 Caracterizaci n de los senso
44. alineaci n m s exacta ser la medici n Para realizar la alineaci n se debe marcar primero la l nea central en el material tanto en la direcci n transversal como en la longitudinal La marca en la direcci n longitudinal debe ser de unos 20cm y la transversal de unos 10cm aproximadamente En la marca transversal se deben realizar 2 marcas adicionales a 3 81cm del centro En la siguiente figura se pueden observar las marcas que se deben realizar Las partes encerradas en c rculos son las 70 superficies que son necesarias de preparar ya que la preparaci n del material depender del material en que se colocar el sensor SURFACE PREP LOCATIONS ID I Figura 47 Marcas para la alineaci n 7 Instalaci n Las dos marcas realizadas a 3 81cm del centro se utilizan para montar el sensor longitudinalmente alineando las marcas con el centro y los extremos del sensor El transductor se debe alinear con el eje de medici n para asegurarse que la tensi n ser medida paralelamente a este eje Es importante que las l neas de marcas sean dibujadas cuidadosamente debido a que los errores en las tensiones son m s susceptibles a aparecer cuando hay desalineamiento Una vez alineado el sensor se colocan dos tornillos en cada uno de los huecos que coinciden con las l neas marcadas a 3 81cm del centro Figura 48 Instalaci n del sensor SR50A 7 71 Ajuste de un excesivo offset en el transductor En algunos casos e
45. analogico analogRead ANALOG1 fLectura del sensor Utils setLED LEDO LED_ON USB println voltaje F USB println sensor sprintf envio Tension superficial ins din analogico Dato a enviar inalambric xbee802 send 00134200403D6C81 envio Envio inalambrico Utils setLED LEDO LED_OFF delay 1000 l RRA A ET A DEL PROGRAMA 9 o a od od dea od od dodo ey Done compiling Binary sketch size 26412 bytes of a 126976 byte maximum Figura A 2 5 5 Verificaci n de que la compilaci n fue exitosa Se debe conectar el Waspmote a la PC con el cable USB y encender el Switch ON OFF Se debe tener desconectado el m dulo XBEE de transmisi n inal mbrica 117 en z ws MM LERSOLLEELE P o othr Z aeeaeeenaaeu bd a s o e ae om at e sa 280 ous y o Sua o 0 IIA lt lo A 2 o uv 4 O a TI o o c Lo wwu libelium com oe o dE TES oe Mini USB connector Switch ON OFF Figura A 2 5 6 Conector para el cable USB y el Switch de ON OFF en el Waspmote 13 En el Waspmote IDE ir a la pesta a Tools Serial Port y elegir el puerto en el que se encuentra conectado el m dulo Para programar el m dulo dar click en el bot n de Upload que se muestra en la siguiente figura se alado con la flecha 118 XBee_TS Waspmote IDE 01 File Edit Sketch Tools Help
46. ancia entre cada una var a a una velocidad de 4cm s o m s 6 20 Figura 5 Angulo de trabajo del SR50A 6 El tiempo t pico en que se logra completar una medici n es de 1 segundo En el caso de los modos seriales RS 232 y RS 485 se lograr este tiempo para de 9600 bps en adelante En el caso de SDI 12 puede que se exceda el minuto debido al largo tiempo de comunicaci n asociado a los 1200 bps El sensor SR50A cuenta con un dato de salida que indica la calidad de la medici n as el usuario puede configurar el sensor para que obtener este dato o no No es necesario hacer uso de este dato de salida pero puede proveer informaci n adicional sobre la confiabilidad de las mediciones realizadas 3 2 2 Mediciones de tensi n superficial en el material de la viga Al aplicarle una carga a un material como por ejemplo el concreto se produce una deformaci n en el material debido a la tensi n generada por la carga Dependiendo del estado del material ste se puede deformar m s o menos de acuerdo a la carga aplicada As si el material est en buen estado va a tener menos deformaci n que un material que se encuentre en mal estado o deteriorado Para poder medir esta tensi n ocasionada en las vigas de un puente se utiliz el sensor ST350 de Campbell Scientific El sensor ST350 es un transductor de tensi n utilizado t picamente en eventos que provoquen alg n tipo de estr s en la estructura de un puente o edificio Se asume
47. ando SETUP y presionar la tecla Enter e Cambiar el dato a la configuraci n necesaria ya sea el baud rate el intervalo de medici n unidad de salida entre otros 69 SR50A HyperTerminal Eile Edit View Call Transfer Help Dw 38 28 SRS50A Main Setup Menu B BAUD RATE 9600 BAUD ADDRESS For RS 232 RS 485 33 Serial Operation Mode AUTO MEASURE AUTO OUTPUT Distance to Target or Depth DISTANCE TO TARGET OUTPUT Distance to Ground 0 000 Measurement Inveterval Units SECONDS Measurement Inveterval Value 60 Output Unit Quality Output Temperature Output Self Diagnostic Output Download New Firmware Exit Setup Mode A M D 6 I y U Q T S F K E SS or S bed Connected 0 13 30 ANSIW 9600 8 N 1 Figura 46 Men en el hyperterminal para la configuraci n del sensor SR50A 6 Una vez configurados los diferentes datos a los valores requeridos se debe ingresar la letra X para salir del modo de configuraci n y el sensor est listo para usarse 5 5 Instalaci n de los sensores En este apartado se explicar la forma de instalar cada sensor para su utilizaci n Primero se iniciar con la instalaci n del sensor ST350 para la medici n de la tensi n en el material para luego pasar a la instalaci n del sensor de deflexi n SR50A 5 3 1 Sensor ST350 7 Alineaci n El sensor solo podr medir tensi n en el eje en que se encuentra alineado por lo tanto entre m s exacta sea la
48. bee802 0N ffHabilitacion de los SY de alimentacion para los sensores PWR setSensorPower SENS_5WV SENS_ON USB begin fPara reaizar pruebas con el USB USB println INICIO pinMode DIGITAL1 INPUT fSe utiliza para la comparacion con datalogger Programa Principal void Loop pl 1F digitalRead DIGITAL1 1 1 fPara las pruebas con el datalogger long analogico analogRead ANALOG1 fLectura del sensor Utils setLED LEDO LED_ON FUSB println voltaje USB println sensor fDato a enviar inalambric xbee802 send 00134200403D6C81 envio Envio inalambrico Utils setLED LEDO LED_OFF delay 1000 ROO ET DEL PROGRAM Asoo ORR K ee Figura A 2 5 4 Compilaci n del programa Si la compilaci n fue exitosa aparecer el mensaje de Done compiling en la parte de debajo de la ventana 116 XBee_TS Waspmote IDE 01 File Edit Sketch Tools Help OO DAHA E XBee TSS ffInicializaciones void setup pl Inicializando las librerias XBee xbee802 init XBEE_802 15 4 FREQ2 46 NORMAL xbee802 0M fHabilitacion de los SV de alimentacion para los sensores PWR setSensorPower SENS S SENS ON f USB begin f Para realizar pruebas con el USB USB println INICIO fpinMode DIGITAL1 INPUT f Se utiliza para la comparacion con datalogger H Programa Principal void loop pl 1f digitalRead DIGITAL1 1 4 fPara las pruebas con el datalogger long t
49. ble A esta tabla se le fueron poniendo diferentes pesos encima para lograr deflexiones diferentes as entre mayor es el peso mayor la deflexi n en el material Los resultados obtenidos se muestran en la siguiente tabla 78 Figura 56 Sensor instalado en la tabla de madera para las pruebas experimentales 79 Tabla 1 Valores de tensi n de salida medidos con el datalogger y con el sistema y su porcentaje de error Medici n Tensi np mV Tensi nNsistemalmV Error WO OINID WM HRl WIN eR m e o bh bh E N E Ww ke A E un E a E N e 00 E Co N o N E N N N 05 N NS En la figura siguiente se observa el gr fico realizado con la tabla anterior para observar el comportamiento del sistema 80 Mediciones realizadas al sensor ST350 Datalogger Waspmote gt e n _ LY cS lt 2 a S o E N mero de muestra Figura 57 Gr fico de las mediciones realizadas al sensor ST350 con el datalogger y con el sistema datos tomados de la tabla 1 6 1 2 Resultados para el sensor SR50A Para probar el funcionamiento del m dulo dise ado para la lectura del sensor SR50A se coloc el sensor en una posici n fija y se tom una placa de metal como blanco Esta placa se fue moviendo aleatoriamente a diferentes distancias y midiendo con un metro par
50. c Nombre de usuario icarvajal 20 Switching to Binary mode PASV 227 Entering Passive Mode 172 16 134 1 235 231 ust 150 Here comes the directory listing 226 Directory send OK Directorio Istado correctamente Je Documents MM Computer eL a H 5 0 Resource DVD 2 e J ebridge A ams f Nombre de archivo Tama o d Tipo de archivo ltima modificaci n Nombre de archi Tama o d Tipodearc ltima modific amp c Local Disk m 65 o Resource DVD CD Drive 9 2011 08 23 csv 81 Archivo de 23 08 2011 05 BE CD Drive 2 2011 08 31 csv 81 Archivode 31 08 2011 06 E 2011 12 19 csv 0 Archivo de 19 12 2011 01 a in 3 directorios 3 archivos Tama o total 162 bytes Servidor Archivo local Direcci Archivo remoto Tama o Prioridad Hora Arcwosencols Transferencias fallidas BI Cola vac a AA Ne XA m3 En FS ba FY pes 01 17 p m HO l 727201 Figura 67 Recepci n en el servidor FTP del archivo En la figura 66 se observa que el archivo fue recibido en la carpeta ebridge del servidor 6 2 Analisis de resultados Se iniciar n con el an lisis de los resultados obtenidos para el sensor ST350 seguido de los del sensor SR50A la red inal mbrica de sensores y por ltimos del sistema completo Se analizar si los resultados son significativos o no el por qu de ello y las posibles causas de error en el caso de que existiera 6 2 1 An lisis
51. casos hasta que el puente no colapse o las condiciones de ste est n notablemente deterioradas no se le realiza ning n trabajo As la nica forma de conocer el estado real de un puente es realiz ndole una monitorizaci n constante pero el pa s carece de un protocolo de instalaci n calibraci n y mantenimiento de los sensores para la monitorizaci n estructural de stos mediante el uso de redes inal mbricas de sensores 14 Los beneficios para el pais derivados del desarrollo de este proyecto son tanto de car cter econ mico como de seguridad con los que se puede e Conocer el estado real de los puentes en el pais e Evitar accidentes grandes que puedan significarle al pais muchas vidas humanas e Conocer cu ndo darle un mantenimiento preventivo a los puentes para evitar da os mayores que signifiquen un gasto econ mico mucho mayor para el pa s e Seguridad a la poblaci n de que la infraestructura vial de los puentes se encuentra en buen estado 1 2 Soluci n seleccionada Se pretende con este proyecto el desarrollo y puesta en marcha de una red inal mbrica de sensores que permita recolectar procesar y almacenar resultados del desempe o del puente Para ello se definieron tres variables a medir para las cuales se describen los sensores utilizados Para la medici n de la tensi n superficial en el concreto del puente se utiliz el sensor ST350 de la empresa Campbell Scientific el cual es un transductor de tensi
52. ci n en el puerto serie para leer la trama de datos Luego identifica los 4 caracteres que corresponden a la distancia medida y envia progresivamente los 4 caracteres por un puerto digital hacia el Waspmote el cual lee stos y forma el dato medido para enviarlo v a inal mbricamente al nodo central La ventaja de sta soluci n es su bajo costo econ mico y adem s con el PIC se puede realizar el an lisis de la trama e identificar los datos de inter s y as el trabajo del Waspmote va a ser muy peque o lo que es importante porque la memoria de ste es muy peque a y adem s su lenguaje de programaci n muy b sico La desventaja tanto en sta como en la primera soluci n es que se necesita una fuente de alimentaci n adicional de 12V para el sensor 5 1 3 Red inal mbrica de sensores La coordinaci n del proyecto eligi la red de sensores Waspmote para la implementaci n del sistema de monitorizaci n dado que se contaba con el hardware y las herramientas Como se hab a comentado anteriormente stos cuentan con un m dulo XBEE 802 15 4 el cual se encarga de la comunicaci n inal mbrica y a la vez se comunica con el microcontrolador ATmega1281 mediante la UARTO a una velocidad de 38400bps Para la transmisi n se utiliza la frecuencia de banda libre de 2 4GHz y un ancho de banda de 5 MHz adem s de que cumple con el est ndar IEEE 802 15 4 que define el nivel f sico y de la capa MAC que es el de enlace Para la programac
53. cnccncnnnnnn 71 Angulo de medici n del sensor 6 coionnnnnnnnnonononononacananenanannonos 73 Distancia de la parrilla frontal a la cubierta de pl stico 6 73 Montaje utilizando el Kit de montaje 19517 6 oooonocooccccnnnccccccncccanncos 74 Montaje utilizando un cilindro y el UN RAIL 6 ooooooooocccccn nonccacinan once 74 Simulaci n para el CAS del sensor ST350 utilizando Multisim 76 Simulaci n para el CAS del sensor ST350 cambiando el valor de R6 77 Resultados de la prueba experimental para el CAS del sensor ST35078 la tabla de madera para las pruebas Figura 57 Grafico de las mediciones realizadas al sensor ST350 con el datalogger y con el sistema datos tomados de la tabla 1 cccccccccncnnnnnos 81 Figura 58 Gr fico de la distancia medida para el sistema y experimentalmente para el sensor SR50A coooooooccccccccccnccncnonnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn nan nnnnnnnnnncnns 83 Figura 59 Datos recibidos en la PC provenientes de los nodos en la red Malambo 86 Figura 60 Archivo creado por la PC para guardar los promedios de los datos Fc Aska saad ni a aa RA aA aa ate ste sates 87 Figura 61 Carpeta que contiene los programas y archivos creados para la PC 88 Figura 62 Recepci n de datos en la PC oococooniccccconncocnccnnanancncnnnnnnonccnonnnanenenanno 89 Figura 63 Al iniciar el programa en la PC se crea el archivo CSV coooonnnniccccccncccc 89
54. con lo esperado por lo que se var o el valor de la tensi n de referencia variando la resistencia R6 en la figura 21 a 1 2kQ y se obtuvo un valor m nimo de salida de 26 2mV y un valor m ximo de 3 31V que se acerca m s a los valores esperados de OV y 3 3V Tektronix Oscilloscope XSC1 Toktronix TDS 2024 RSENS oscusoscorn FAA Figura 54 Simulaci n para el CAS del sensor ST350 cambiando el valor de R6 Para comprobar su funcionamiento en el laboratorio se mont el CAS y se le realiz la misma prueba que en la simulaci n A la entrada del circuito se puso una ondasenoidal con una amplitud de 1 96V a 1 96V y se midi la salida 77 Figura 55 Resultados de la prueba experimental para el CAS del sensor ST350 En la figura anteriorse observa la entrada y la salida y al lado derecho los valores maximos y minimos para cada uno como se puede ver la salida tiene un valor minimo de OV y un valor maximo de 3 24V Una vez comprobado el funcionamiento del CAS se le realizaron las pruebas a todo el sistema Para esto se conect el sensor ST350 con el n mero de serie B2465 ala PCB y sta al Waspmote Para poder comparar los valores medidos del sistema dise ado con los valores medidos en el datalogger se program ste ltimo para enviar una se al al Waspmote en el momento en que realiza la medici n para que ste tambi n la realice El sensor se instal siguiendo los pasos del apartado 5 3 1 en una tabla de madera flexi
55. dos por el datalogger Esto nos da la confianza de que el sistema funciona con una exactitud mayor al 95 por lo que los datos son confiables 95 Para el sensor ultras nico SR50A se obtuvo una probabilidad menor al 0 001 de que el valor promedio medido por el sistema sea igual al valor promedio medido manualmente con la cinta m trica Al analizar la raz n de esta diferencia se pueden encontrar dos elementos que afectan la medici n de la distancia El primero es la precisi n del sistema manual que es de 0 05 mm contra 0 25 mm del sensor La segunda raz n es la linealidad del sensor que es de 500 mm en adelante por lo que se debe instalar para que la distancia de medici n del cero corresponda a los 500 mm Otra raz n que afecta el desempe o del sensor SR50A es su gran tiempo de adquisici n cerca de un minuto esto puede afectar la toma de muestras en ambientes altamente din micos Adem s a las mediciones de este sensor las pueden afectar cualquier objeto que refleje el sonido por lo que en un laboratorio donde trabajan muchas otras personas siempre existen otros objetos que lo reflejan y se dificulta obtener un medio controlado en este sentido 6 2 4 An lisis de resultados para la red inal mbrica de sensores y el programa en la PC Los resultados para la red inal mbrica de sensores la recepci n de datos en la PC y la creaci n del archivo donde se guardan los datos le dos se muestran en el apartado 6 1 4 En este se
56. e Temperatura 20 C 65 C Reloj RTC 32KH2 Consumo ON 9mA Sleep 62pA Deep Sleep 62pA Microprocessor GPRS Socket Hibemate O7 pA Funcionamiento sin recarga la o Dee Soete Tiempo obtenido usando el modo Hibemate como modo de ahorro energ tico Entradas Salidas 7 Anal gicas 1 8 Digitales 1 0 1 PWM 2 UART 1 12C 1USB Crysis Omeitiater Caracteristicas El ctricas Tensi n de batera 3 3V 42V x Carga USB 5V 100mA rete Carga placa solar 6 12V 240mA Selar Sedmi Swuh use Powertes Tensi n bater a auxiliar 3V eee Figura 1 Cara Superior Wospmote Sensores Integrados en la placa Temperatura 40C 85 C Precisi n 0 25 C Aceler metro 29 1024 LSb g 69 340LSb g 40Hz 160Hz 640Hz 2560Hz Figura 2 Cara inferior Waspmote httpyAwwwJibelium com waspmote vog Figura B 1 1 Hoja de datos del Waspmote 130 WASP MOE Waspmote Datasheet 802 15 4 ZigBee XBee 802 15 4 Tniw XBoc 802 15 1 Pro 100mW XBee 868 BE SIAHZ 315100 112uBm 12un XBee 500 100dBm 10km pos ia rin er linea aca y antenadipoln lt i Figuru 3 XBex Antonas 2 4GHz 2dBi SdBi B68 900V Hz CuBi 4 54Ei Conector RPSMA Cifrado AES 128b Control Se al RSSI Est ndares XBee 802 15 4 802 154 Compliant XBee ZE ZigBee Pro v2C07 Compliant Topolog as p2p arbo mesh Figura 4 p2p Nites www Ibel um comywaspnote v0 9 Figura B 1 2 Caracter sticas generales de lo
57. e fallas en puentes Instituto Tecnol gico de Costa Rica 9 Fern ndez Marcos File Transfer Protocol En l nea http www mitecnologico com Main FtpProtocolo Visitador el 10 de mayo del 2011 10 Gonz lez Ra l Python para todos En l nea http mundogeek net tutorial python Visitado el 28 de mayo del 2011 11 Huambachano Max Resistencia de Materiales En l nea http resistenciadematerialesmjhm blogspot com Visitado el 29 de agosto de 2011 12 Libelium Waspmote 802 15 4 Networking Guide En l nea http www libelium com documentation waspmote waspmote 802 15 4 networking guide pdf Visitado el 25 de mayo del 2011 13 Libelium Waspmote Gu a T cnica En l nea http www libelium com documentation waspmote waspmote technical guide esp pdf Visitado el 10 de mayo del 2011 101 14 MAXIM 5V Powered Multichannel RS 232 Drivers Receivers En linea http www datasheetcatalog org datasheet maxim MAX220 MAX249 pdf Visitado el 09 de agosto del 2011 15 Microchip PICkit 2 Microcontroller Programmer User s Guide En linea http www esat kuleuven be cde pickit2 paf Visitado el 10 de agosto del 2011 16 Microchip PIC18F2455 2550 4455 4550 Data Sheet En l nea http ww1 microchip com downloads en devicedoc 39632c paf Visitado el 07 de agosto del 2011 17 Navarro Francisco Circuitos con retroalimentaci n resistiva Instituto Tecnol gico de Costa Rica 18 Texas Instruments LM124 LM224
58. e lea en i sth A E N te ea 57 Figura 35 Pantalla principal X CTU cee eececcceeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeneneeeeeeeees 59 Figura 36 Configuraci n para la comunicaci n de los m dulos XBee con la PC 60 Figura 37 Prueba de comunicaci n entre el XBee y la PC eeeeeeeeeeeeeeeeeeeeees 61 Figura 38 Configuraci n de los m dulos XB 8 ooocooooccccconococcconononncccnnnannnononnns 62 Figura 39 Diagrama de flujo del procesamiento de datos en la PC 63 Figura 40 Diagrama de flujo del env o de datos por FTP ooooocccccnnccccccccnnaaannonnnnns 64 Figura 41 Diagrama de flujo del guardado en el archivo oooooocccconccoccccconacannnnnnnns 65 Figura 42 Remover los tornillos de la cubierta del transductor SR50A y Figura 43 Figura 44 desconectarse Aah hee eR eae Aeneas Gee 67 Absorbentes de humedad del sensor SR50A 6 sseeeeeeeeeeeeees 68 Remover tornillos para exponer la PCB del SR50A 6 68 PCB del SR5OA LO is A tira iercd iiss 69 Figura 45 Figura 46 Figura 47 Figura 48 Figura 49 Figura 50 Figura 51 Figura 52 Figura 53 Figura 54 Figura 55 Figura 56 Sensor instalado en xpernm ntaleS o asi Men en el hyperterminal para la configuraci n del sensor SR50A 6 70 Marcas para la alineaci n 7 ooooonnnnncnccccccnnnnnncnnnnnncnancnnnnnnnnnnnanrn nono 71 Instalaci n del sensor SR50A 7 ooooocccccccccnccccanonacacocononnnnnnnnan
59. el blanco perpendicular al sensor ya que cuenta con un ngulo de aproximadamente 30 Lo que quiere decir que en un ngulo de 30 no debe haber ning n objeto que pueda afectar la medici n Para determinar el radio de medici n se utiliza una f rmula en donde se debe ingresar la distancia a la que se encuentra el blanco que colocamos para las mediciones CONO dio 0 268 CONO rura 5 3 2 1 72 Figura 49 ngulo de medici n del sensor 6 El blanco colocado para la medici n de distancia con el SR50A debe estar ubicado al menos a 50cm de la cara del transductor y se debe cerciorar que no se encuentre demasiado largo ya que la m xima distancia que mide es de 9999mm Si se desea comparar la medici n utilizando un metro se deben agregar 8mm que es la distancia de la parrilla frontal del sensor hasta la cubierta de pl stico que se puede usar como referencia Figura 50 Distancia de la parrilla frontal a la cubierta de pl stico 6 Para montar el sensor al lugar de medici n se debe colocar una barra de metal en donde se colocar el sensor Existen 2 m todos 73 e Usar el Kit de Montaje para este sensor el n mero de la pieza es 19517 el cual se monta a la pieza CM206 la cual se puede observar en la figura 51 Figura 51 Montaje utilizando el Kit de montaje 19517 6 e Montarlo sobre un cilindro de montaje que es la pieza n mero 19484 y sta pieza conectarla a un UN RAIL pieza n mero 1049
60. enimiento requerido por el sensor Para esta recalibraci n se debe mandar el sensor a la f brica en Estados Unidos Se recomienda que cada cierto tiempo se revise que el valor de las resistencias entre los cables contin en siendo 1500 A 2 4 Manual de mantenimiento del sensor SR50A Al igual que el transductor ST350 el SR50A est dise ado para que su mantenimiento sea m nimo Por esto cuenta con los absorbentes de humedad que hacen que sta no entre al sensor por los huecos de ventilaci n Estos absorbentes cuentan con un gel que se mantiene de color azul mientras se encuentren en buen estado pero si cambian a color rosado deben ser remplazadas debido a que stos se encuentran saturados Para revisarlos y remplazarlos se debe seguir el mismo procedimiento visto en el manual de instalaci n para la configuraci n del sensor pero en este caso se llega hasta donde se encuentran los absorbentes se retiran y se cambian La cubierta del transductor se recomienda remplazarla cada 3 a os pero si se encuentra en un lugar con una humedad muy alta se debe remplazar cada a o 112 A 2 5 Manual de usuario del sistema Conexion del sistema para el sensor ST350 La PCB disenada para el sensor ST350 consta de un circuito restador junto con un circuito acondicionador de senales Esta PCB se conecta a un nodo Waspmote el cual se encargara de recibir el dato medido y enviarlo inalambricamente a la PC Para programaci n del m dulo
61. entes Adem s se incluir un manual de instalaci n y mantenimiento para cada sensor aparte de un manual de utilizaci n del sistema Palabras claves puentes caracterizaci n tensi n superficial deflexi n ST350 SR50A Abstract This project is about the characterization of sensors for the measure of the bridge structure performance to resolve the common problem in bridges caused by their deterioration and lack of maintenance This problem is very expensive for Costa Rica and causes life loses and traffic congestion The lack of maintenance and knowledge about the real condition of the bridges in the country make necessary the development of a system able to know the real state of the bridges structure and avoid accidents One solution of this problem will be describe with the characterization of the ST350 transducer for the measure of Strain in structures and the SR50A which is an ultrasonic transducer for the measure of distance Both sensors are manufactured by Campbell s Scientific The systems of measure for each sensor will be explained and they will be economically viable and easy construction Besides a manual of the calibration installation and maintenance of the sensors and the system will be included Key word bridges characterization ST350 SR50A strain deflection INDICE GENERAL Capitulo IMMOGUCCION 315252 O Rao 14 11 OA tas natant ad faa cal ta hon aceasta contac aca 14 1 2 Soluci n seleccionada
62. entrada necesarios para el Waspmote Luego con las pruebas en el laboratorio se fueron modificando los circuitos debido a que en las simulaciones se suponen que los componentes utilizados son ideales pero en la realidad no lo son y en algunos casos pueden provocar variaciones importantes en los resultados obtenidos Adem s gracias a estas pruebas se pudieron descartar algunas de las alternativas planteadas y as poder llegar a la soluci n final En algunos casos se descart alguna soluci n por su pobre desempe o o porque la facilidad de implementaci n superaba a alguna otra de las alternativas 4 4 Implementaci n de la soluci n Para la implementaci n de la soluci n lo primero era entender el funcionamiento del sensor y de su salida En el caso del sensor SR50A para la medici n de la deflexi n ste cuenta con 3 formatos diferentes para la salida por lo tanto se deb a analizar cu l era el formato m s sencillo y viable a utilizar tomando en cuenta los equipos y componentes con los que se contaba Se eligi el formato serie RS 232 debida a que la mayor a de equipos y componentes est n acondicionados para la transferencia de informaci n con este tipo de formato La propuesta inicial consist a en conectar directamente el sensor al Waspmote pero debi ser modificada ya que el lenguaje con el cual se deben programar los m dulos Waspmote es poco robusto y no realizaba correctamente la lectura del sensor por lo que se debi
63. estador para realizar la diferencia entre las dos se ales del sensor y as obtener la tensi n de salida para la medici n de la tensi n superficial Para la construcci n de este circuito se utiliz un amplificador operacional LM324 El dise o b sico de un restador con OPAM s se muestra en la figura 19 Figura 19 Esquema b sico de un circuito restador con OPAM s 2 40 El circuito mostrado en la figura anterior resta a la entrada positiva del operacional la entrada negativa y el resultado es amplificado con la ganancia La ganancia se calcula de la siguiente forma 4 R 5 2 1 1 Por lo tanto la tensi n de salida del circuito es y out V Ve 1 5 2 1 2 Como se necesita una ganancia de 100 para obtener una tensi n de salida entre 2V y 2V para una entrada entre los 20mV y los 20mV valores tomados de las hojas de calibraci n de los sensores Los valores de las resistencias ser an los siguientes R 1 5kQ R 150kQ y 150K _ 99 1 5kO En la figura 20 se puede observar el esquema del circuito disenado 41 Figura 20 Circuito restador implementado para el sensor ST350 5 2 1 2 Circuito Acondicionador de Se ales para sensor ST350 Para el dise o del circuito acondicionador de se ales se eligi el esquema b sico explicado en el apartado 3 2 3 y que se observa en la figura 9 La entrada a este CAS es la salida del circuito restador del apartado anterior el cual tiene
64. etro Para el sensor de tensi n superficial se compar el valor medido por el CAS y le do en el Waspmote con el valor entregado por el datalogger CR1000 de Campbell Scientific el cual est configurado para leer estos sensores Se utiliz la prueba T pareada para comprobar la validez de los datos Con la red inal mbrica y el software realizado en python se realizado pruebas con un banco de datos conocidos para verificar que los datos se comunicaran correctamente dentro de la red adem s de que fueran le dos correctamente en la PC y guardados en el archivo con extensi n csv 4 5 Reevaluaci n y dise o Para mejorar el sistema desarrollado se deben buscar alternativas para dise ar las tensiones necesarias para alimentar los diferentes circuitos Esto debido a que el sensor SR50A necesita una tensi n de alimentaci n de 12V y el CAS para el sensor ST350 necesita una alimentaci n de 5V y 5V debido a que este sensor genera tensiones de salidas tanto positivas como negativas Adem s se debe reemplazar la PC por alg n sistema embebido el cual soporte la plataforma Linux y as este sistema pueda ser tambi n instalado en el puente y sea capaz de enviar la informaci n v a FTP al servidor 33 Los m dulos Waspmote son muy tiles para la creaci n de redes de sensores debido a su f cil programaci n y uso adem s de que cuentan con el hardware integrado para la conexi n de un panel solar para la recarga de su bater a Po
65. g a de hardware para la implementaci n de redes inal mbricas de sensores para que los desarrolladores puedan llevar a cabo soluciones fiables y r pidas Este sistema embebido en espec fico es un dispositivo sensorial de bajo consumo para la creaci n de redes inal mbricas de sensores que pueden integrar m s de 50 sensores diferentes Se basa en una arquitectura modular y en l se adaptan solo los m dulos necesarios los cuales se pueden cambiar o ampliar Figura 12 M dulo Waspmote 13 Los m dulos que se pueden integrar a Waspmote son e Almacenamiento SD Cards e GPS e Sensores e GSMo GPRS e XBEE Sus especificaciones generales son e Procesador ATmega1281 e Frecuencia de 8Mhz e SRAM de 8KB 26 e EEPROM de 4KB e FLASH de 128KB e SD Card de 2GB e Peso de 20gr e Dimensiones de 73 5 x 51 x 13 mm e Rango de temperatura de 20 C a 65 C Cuentan con una bater a la cual puede ser recargada mediante conexi n USB o un m dulo de tensi n por placa solar que puede ser adaptado f cilmente Adem s puede comunicarse con otros dispositivos externos mediante sus puertos de entrada salida Para esto posee 7 entradas anal gicas las cuales est n conectadas directamente al microcontrolador que utiliza un ADC de 10 bits y su valor m ximo de tensi n de entrada es de 3 3V que corresponde con el valor de alimentaci n general del microcontrolador 12C UART gt a wd MIA Lo o a alo A 6 o
66. grama realizado con este entorno se divide en 3 partes e Declaraci n de variables 54 e Setup esta rutina se ejecuta solo una vez en el programa y corresponde a las configuraciones de puertos e Loop programa principal que se ejecuta infinitamente En el setup para la programaci n de los Waspmote se inicializan las librer as XBee para la transmisi n inal mbrica y se habilitan los 5V para los sensores 5 3 2 1 Programaci n del Waspmote para la medici n de la tensi n superficial Para la programaci n del Waspmote para la medici n del dato de tensi n superficial se utiliza el puerto anal gico uno para la lectura del dato de salida del CAS Figura 33 Diagrama de flujo para el programa principal del Waspmote para la medici n de la tensi n superficial 55 El programa inicia leyendo el puerto anal gico luego transforma este dato en un valor de tensi n entre OV y 3 3V para despu s convertir el valor al valor medido por el sensor en milivoltios Por lo tanto se aplica la ecuaci n del CAS teniendo el valor de salida calcular la tensi n de entrada y sta dividi ndola entre 100 que ser a la ganancia del circuito restador Con esto se conoce el valor de la tensi n diferencial en el sensor ST350 Una vez que se calcula la tensi n diferencial se procede a enviar el dato inal mbricamente hacia el Gateway o nodo central Para esto se crea un arreglo de caracteres en donde se guarda el identificador del sensor
67. i n de stos m dulos se ten an dos opciones las cuales eran enviar los datos con el encabezado API o sin ste API son una serie de librer as dise adas para facilitar la programaci n de los m dulos Waspmote La estructura de trama API se muestra en la siguiente figura 38 API Identifier Specific Data 1B 2B 1B 16 bit Destination f 1B 1B 1B Application fragment Number First Fragment Source Type Figura 17 Estructura de trama API zigbee 12 El encabezado API corresponderia a la ultima fila de datos en la estructura mostrada en la figura anterior y seria lo que el usuario debe ingresar para poder enviar el dato Como se puede observar tambi n esta trama es muy larga y la mayor a de informaci n no es necesaria La ventaja de esta opci n es que se puede determinar de qu nodo viene la informaci n pero su longitud representa una desventaja muy grande Cuando la trama se env a sin el encabezo API lo nico que se env a es el dato necesario La desventaja de este m todo de env o es que no se puede determinar de cu l nodo viene la informaci n pero tiene la ventaja de que la trama es peque a y con solo la informaci n necesaria Para contrarrestar el problema de no conocer el nodo origen se cre un arreglo en donde se env a el identificador del nodo origen seguido del dato medido 5 1 4 Recepci n procesamiento y env o de datos en la PC Para la realizaci n del software para la recepci n procesam
68. i n de estos par metros por lo tanto esta soluci n fue descartada La segunda soluci n propuesta fue incluir una etapa adicional entre el sensor y el Waspmote Esta etapa corresponder a a un circuito restador junto con un circuito acondicionador de se ales CAS En un inicio se dise el restador de tal forma que no tuviera ninguna ganancia y as poder ver a la salida el valor real de las variaciones en la tensi n Las salidas que tendr a el circuito andar an entre los 20mV y los 20mV dependiendo del sensor ya que aunque cada uno de estos sensores funciona igual sus curvas de calibraci n var an Al conectar el sensor al circuito restador realizarle pruebas y compararlas con los valores que se med an con el mismo sensor en el datalogger CR1000 se pudo observar que estos valores no coincid an y andaban entre 7mV y 7mV mientras que en el datalogger andaba entre los 3mV y los 3mV Por lo tanto se analiz el circuito y se pudo determinar que las tensiones de salida eran muy bajas y en ese caso el ruido pod a llegar a ser significativo y afectar la medici n Para poder corregir el problema que el ruido podr a estar afectando las mediciones se le incluy una ganancia de 100 al circuito restador Con esta ganancia y analizando las tensiones de salida de las curvas de calibraci n de los sensores se obtendr an valores de salida del restador en el rango de 2V y 2V Al realizar pruebas en el laboratorio y compararlas con
69. i n de la deflexi n 6 El sensor SR50A es un sensor ultras nico que mide la distancia de ste a un blanco que sea capaz de reflejar el sonido Por ser un sensor digital no necesita calibraci n y viene listo de f brica para su utilizaci n Lo que se puede variar al inicio son sus configuraciones ya que ste viene de f brica configurado para que tenga una salida en el formato SDI 12 Pero moviendo 3 puentes dentro de l se puede cambiar a otro tipo de formato Para desarmar el sensor se debe primero desconectar el cable del sensor Luego se deben remover los 6 tornillos de la cubierta del transductor y desconectar los cables 66 Figura 42 Remover los tornillos de la cubierta del transductor SR50A y desconectar los cables 6 Luego cuenta con unos absorbentes de humedad los cuales se remueven se quitan 2 tornillos Philips para poder exponer la PCB 67 Figura 43 Absorbentes de humedad del sensor SR50A 6 I I Figura 44 Remover tornillos para exponer la PCB del SR50A 6 68 Con esto se puede mover los puentes ya sea para poder utilizar en formato RS 232 RS 485 o SDI 12 Figura 45 PCB del SR50A 6 Ademas para cambiarle las configuraciones de software se puede utilizar el programa Hyperterminal para Windows o cualquier otro programa usado para comunicaciones Si se utiliza el programa Hyperterminal se debe realizar lo siguiente e Iniciar la sesi n en hyperterminal e Ingresar el com
70. icaciones similares en el rea 2 Dise ar los circuitos acondicionadores de se al que garanticen el acople adecuado de los sensores de medici n de desempe o estructural a los nodos de medici n de la red inal mbrica de sensores 3 Desarrollar una propuesta del protocolo para la instalaci n calibraci n y mantenimiento de los sensores para la monitorizaci n estructural de puentes que debe utilizar el proyecto eBridge 17 Capitulo 3 Marco te rico 3 1 Descripci n del sistema El sistema desarrollado para este proyecto cuenta con varias etapas las cuales se pueden observar en la figura 1 Sensor de Nodo Deflexi n Waspmote Nodo Waspmote Central Sensor de tensi n superficial Nodo Waspmote Figura 1 Etapas del sistema de caracterizaci n estructural de puentes La primera etapa del proyecto consiste en los sensores de medici n de deflexi n tensi n superficial y distancia entre junturas Para estos sensores se debe obtener la curva caracter stica adem s de su forma de instalaci n y calibraci n Luego estos sensores deben acoplarse a un circuito acondicionador de se ales CAS el cual se encarga de transformar la tensi n entregada por cada sensor a un rango de tensiones que pueda ser legible por la placa Waspmote que representa la etapa 3 del proyecto La salida de cada CAS se conecta a un nodo Waspmote el cual lee la informaci
71. iento y env o de datos en la PC se eligi el lenguaje de programaci n Python por encima de muchos otros debido a su robustez y f cil programaci n Adem s porque contiene librer as ya dise adas para la programaci n de la lectura por puerto serie la creaci n de archivos con formato csv y en env o y recepci n de archivos por FTP 39 Adem s se eligi el sistema operativo Linux por ser un software libre sencillo de encontrar y porque el software con el cual se reconocen los m dulos Waspmote en la PC no est disponible para todas las versiones de Windows 5 2 Descripci n del hardware En esta secci n se explicar detalladamente el hardware de cada uno de los m dulos que componen el sistema Se incluir n los diagramas detallados de los circuitos y el por qu la elecci n de sus componentes Se iniciar con la explicaci n de los m dulos para el sensor ST350 siguiendo con los m dulos para el procesamiento del sensor SR50A y finalizando con la red inal mbrica de sensores 5 2 1 M dulos de hardware para el sensor ST350 Para el sensor ST350 se crearon dos m dulos de hardware El primero consta de un circuito restador y el segundo un circuito acondicionador de se ales CAS Sensor de tensi n superficial Nodo Waspmote Figura 18 M dulos de hardware para el sensor ST350 5 2 1 1 Circuito Restador Como se explic en la secci n 5 1 1 fue necesario el dise o de un circuito r
72. its Parity Stop Bits Test Query Host Setup User Com Ports Network Interface API 1 r Reponse Timeout l Enable API Timeout 1000 Use escape characters ATAP 2 AT command Setup ASCII Hex Command Character CC bi 28 Guard Time Before BT 1000 m Modem Flash Update 7 No baud change Figura 35 Pantalla principal X CTU Cuando existen puertos serie conectados a la PC ste los reconoce y aparecen en la ventana SelectCom Port ahi se debe seleccionar el puerto que se desea configurar y al lado elegir las opciones de Baud Rate Control de flujo cantidad de bits del dato si existen bit de paridad y de parada En nuestro caso se configur como se observa en la figura 36 59 PC Settings Range Test Terminal Modem Configuration Com Port Setup Select Com Port USB Serial Port COM Baud 38400 Flow Control NONE v Data Bits Parity Stop Bits Test Query Host Setup User Com Ports Network Interface API Reponse Timeout TT Enable API Timeout 1000 F Use escape characters ATAP 2 mAT command Setup ASCII Hex Command Character CC hi 28 Guard Time Before BT 1000 m Modem Flash Update I No baud change Figura 36 Configuraci n para la comunicaci n de los m dulos XBee con la PC Una vez elegidos estos datos se selecciona el bot n Test Query para realizar una
73. l blanco y as poder calcular la deflexi n de la estructura Para esto abrir el Serial Monitor el cual se se ala en la siguiente figura 123 2 XBee_Deflexion Waspmote IDE 01 File Edit Sketch Tools Help O gt Eh sera Monitor XBee_Deflexion f fInicializando las librerias XBee xbee802 init XBEE_802_15 4 FREQ2 46 NORMAL xbee802 0N USB begin ffHabilitacion de la alimentacion de SY a 1 PWR setSensorPower SENS 5V SENS ON USB printin INICIO f Configuracion de los puertos digitales pinMode DIGITAL1 INPUT pinMode DIGITAL2 INPUT pinMode DIGITAL3 INPUT pinMode DIGITALA INPUT pinMode DIGITALS INPUT pinMode DIGITAL6 INPUT pinMode DIGITAL INPUT pinMode DIGITALS INPUT fPrograma principal void loop i fLectura de los puertos digitales while digitalRead DIGITALS 0 if digitalRead DIGITALS 1 n n 1 if digitalRead DIGITAL4 1 dato dato 8 __ ___________ Done compiling Binary sketch size 27 Figura A 2 5 10 Serial Monitor del Waspmote IDE 12 En la pantalla del Serial Monitor se observar n las mediciones realizadas por el sensor se debe apuntar este dato porque se necesitar m s adelante 13 Desconectar el cable USB de la PC 124 Configuraciones en la programaci n de la PC Se deben realizar algunos cambios en la programaci n de la PC para lograr la recepci n y el an lisis correcto de los dato
74. l estado de cero estr s no se podr lograr por s solo y existir un offset en la medici n Esto puede ser causado por un cambio en la temperatura de la superficie Para corregir este offset se debe girar la tuerca con que se sostiene el sensor a la superficie para alinearlo al estado de cero estr s Si a n as no se logra este estado compruebe que la superficie en que est montada el sensor sea plana y sino prepare el material para lograr esta condici n Para lograr el estado de cero estr s se deben seguir los siguientes pasos e Determine la direcci n del offset e Si se encuentre muy compresionado libere el extremo opuesto donde se coloca el cable e Tire de este extremo del sensor y vuelva a colocar la tuerca suavemente hasta observar en el monitor el momento en que se acerque a cero e Si necesita m s presi n en la tuerca de la que se puede retire tambi n la tuerca del otro extremo y vuelva a colocar las 2 tuercas hasta obtener el estado cero e Si el offset se encuentra en la otra direcci n muy expandido realice los pasos anteriores pero en lugar de tirar del extremo empuje de este Si a n as no se logra el estado cero devuelva el sensor ya que podr a estar da ado 5 3 2 Sensor SR50A 6 Para la instalaci n del sensor SR50A se debe tomar en cuenta el ngulo de medici n del sensor dentro del cual cualquier blanco que refleje sonido puede afectar la medici n Lo recomendable es colocar
75. lgunos casos el estado de cero estr s no se podra lograr por si solo y existira un offset en la medici n Esto puede ser causado por un cambio en la temperatura de la superficie Para corregir este offset se debe girar la tuerca con que se sostiene el sensor a la superficie para alinearlo al estado de cero estr s Si aun asi no se logra este estado compruebe que la superficie en que esta montada el sensor sea plana y sino prepare el material para lograr esta condici n Para lograr el estado de cero estr s se deben seguir los siguientes pasos e Determine la direcci n del offset e Si se encuentre muy compresionado libere el extremo opuesto donde se coloca el cable e Tire de este extremo del sensor y vuelva a colocar la tuerca suavemente hasta observar en el monitor el momento en que se acerque a cero e Si necesita m s presi n en la tuerca de la que se puede retire tambi n la tuerca del otro extremo y vuelva a colocar las 2 tuercas hasta obtener el estado cero e Si el offset se encuentra en la otra direcci n muy expandido realice los pasos anteriores pero en lugar de tirar del extremo empuje de este Si aun as no se logra el estado cero devuelva el sensor ya que podr a estar da ado 105 A 2 2 Manual de instalaci n del sensor SR50A 6 Configuraci n inicial Al inicio se debe variar su configuraci n ya que ste viene de f brica configurado para que tenga una salida en el formato SDI 12 Per
76. lizado y por el contenido del correspondiente proyecto Cartago 23 de enero del 2012 Firma del autor Eugenia Mar a Guzm n Rivera C dula 3 420 916 Resumen El siguiente proyecto trata sobre el dise o de una red inal mbrica de sensores y la caracterizaci n de sensores para la medici n del desempe o estructural de puentes con el fin de resolver el problema tan com n en los ltimos a os en los puentes debido a su deterioro y falta de mantenimiento Este problema le ha tra do al pa s no solo gastos econ micos muy elevados sino tambi n p rdida de vidas y congestionamientos en las carreteras La falta de mantenimiento y de conocimiento real del estado de la infraestructura de puentes en el pa s hace que sea necesaria la implementaci n de un sistema capaz de conocer el estado real de la estructura de los puentes para as lograr darle el mantenimiento adecuado a stos y evitar los accidentes Se describir la soluci n a ste problema caracterizando sensores que existen en el mercado para este fin los cuales son el transductor de tensi n ST350 para la medici n de la tensi n superficial en la superficie del material y el SR50A que es un sensor ultras nico para medir distancias fabricados por la empresa estadounidense Campbell s Scientific Se explicar la implementaci n de sistemas de medici n para cada uno de los sensores los cuales deben ser viables econ micamente y de f cil uso para los inspectores de pu
77. los valores medidos en el datalogger se comprob que coincid an los valores 36 La siguiente etapa seria el dise o del CAS para este se utiliz el esquema b sico que se puede observar en las figuras 8 y 9 Este circuito tendria valores de entrada entre los 2V y los 2V y tensiones de salida entre OV y 3 3V que son los valores de entrada en el Waspmote Una vez listo el circuito se conect el sensor al restador y ste al CAS para la salida conectarla al Waspmote A la vez se conect el ST350 al datalogger y de ste sal a una se al de control para que los dos equipos realizaran la medici n al mismo tiempo Se comprob que los valores eran muy cercanos por lo que los valores medidos eran correctos La ventaja de los circuitos restador y CAS es que son sencillos de dise ar y adem s muy econ micos La desventaja se da porque para el circuito restador se necesitan tensiones de alimentaci n de 5V y 5V La tensi n de 5V se toma del Waspmote pero la de 5V no por lo que se necesita una fuente de alimentaci n adicional 5 1 2 Soluciones sensor de deflexi n SR50A Para el sensor SR50A se plantearon tambi n dos soluciones Este sensor ultras nico cuenta con 3 formatos de salida Se eligi el formato RS 232 debido a que es compatible con la mayor a de equipos Por lo tanto se plantearon dos soluciones la primera era conectar directamente el sensor al Waspmote y la segunda incluir una etapa adicional entre stos dos
78. medici n de distancia y enviarlo por puerto digital al Waspmote Para comprobar el funcionamiento del sistema se compar el valor de la distancia mostrado en el Waspmote con el valor medido utilizando una cinta m trica Los resultados se encuentran en la tabla 2 En esta se puede ver que se obtuvieron porcentajes de error menores a 4 45 lo cual es muy bueno tomando en cuenta que el sensor tiene un error asociado de 0 25mm y que el error de medir con la cinta m trica es de 0 05mm adem s del error de paralelaje t pico en este tipo de mediciones El nico dato medido que obtuvo un porcentaje de error muy elevado fue la medici n en la que el blanco se coloc a una distancia menor a 50cm del sensor este error fue de un 20 lo que era de esperarse ya que seg n las especificaciones para este transductor el blanco se debe ubicar a una distancia mayor a sta En la figura 58 se puede ver el gr fico construido con la tabla 2 en donde las curvas siguen el mismo patr n y sus valores son muy cercanos en algunos casos pr cticamente iguales lo que nos hace concluir que el sistema trabaja correctamente en la medici n de la distancia del sensor a un blanco 6 2 3 An lisis de resultados para la caracterizaci n de los sensores En cuanto a la caracterizaci n de los sensores para el sensor ST350 StrainGage se obtuvo un porcentaje muy alto de probabilidad de que los datos medidos con el sistema desarrollado sean iguales a los datos medi
79. mediciones a las que les aplica un algoritmo para mejorar la confiabilidad de los datos En la figura 2 se puede observar el sensor Figura 3 Sensor SR50A 6 Para su funcionamiento requiere una entrada de 9 a 18 Vdc y cuenta con un rango de medici n de 0 5 a 10 m con una resoluci n de 0 25mm Adem s tiene un tama o de 10 1 cm de largo y 7 6 cm de di metro con un peso de 0 4 kg 6 19 Debido a que la velocidad del sonido varia dependiendo de la temperatura se requiere una medida de temperatura adicional para poder realizar la compensaci n en la medici n Esta formula es la siguiente Temperatura Kelvin Dis tan cia Lectura seso 771315 i 3 2 1 1 Este sensor cuenta con tres tipos de salidas SDI 12 RS 232 y RS 485 De f brica viene configurado para que tenga una salida en formato SDI 12 pero moviendo un grupo de 3 puentes dentro de l se puede variar el formato de salida a cualquiera de los otros 2 mencionados anteriormente Figura 4 Puentes internos para cambiar de formato de salida 6 El SR50A puede recoger respuesta del blanco en un campo de 30 o menos Esto es que si el blanco se encuentra fuera de un ngulo de 30 del centro del sensor ste no lograr recibir la respuesta y no habr medici n por lo que cualquier objeto que pueda reflejar el sonido debe encontrarse fuera de este campo de vista En el caso de que el blanco sea movible el sensor va a rechazar cualquier medici n si la dist
80. medio sea un poco mayor Por lo tanto se comprueba que el archivo se crea correctamente y que el c lculo de los promedios es correcto 6 2 5 An lisis de resultados del sistema completo En cuanto a los resultados obtenidos en el sistema completo se observa en la secci n 6 1 5 que los datos se recibieron satisfactoriamente en la PC adem s el archivo fue creado con la fecha del d a en que se realiz la prueba y que al finalizar el tiempo de prueba elegido de 30 minutos el archivo fue enviado y recibido con xito por el servidor en otra PC En la consola de Linux se puede observar c mo se van recibiendo los datos y al finalizar cada minuto el c lculo del promedio de los datos para ste Adem s al finalizar el tiempo muestra que env a el dato por FTP y el nombre del archivo que env a si ste se env a satisfactoriamente ah termina el programa sino muestra d nde se dio el error ya que pudo haber sido porque no logr conectarse al servidor o que no encontr la carpeta donde se pretend a guardar 97 Capitulo 7 Conclusiones y recomendaciones 7 1 Conclusiones h Los sensores no necesitan una calibraci n previa Una vez instalados los sensores no requieren mantenimiento peri dico El sistema desarrollado para la medici n de la tensi n superficial present porcentajes de error menores al 5 77 con respecto a las mediciones realizadas con el datalogger CR1000 Los posibles errores en las mediciones de la
81. n f f close s quit except print No se ha podido encontrar el fichero except print No se ha podido conectar al servidor BE EE EEE EE EE EEE EE EEE EEE EEE EEE EEE EEE EEE EEE EEE EEE EEE EEE EEE EEE EEE EEE EEE EEE EEE EEE EEE EEE EEE SEE EEE EEE SEE ESSE Figura A 2 5 14 Datos del servidor al que se enviara el archivo csv 6 En la funci n principal del programa se deben cambiar las palabras Deflexion y Tension superficial por los identificadores definidos en la programaci n de los Waspmote para cada sensor y en el caso de que existan m s sensores incluir m s comparaciones para poder guardar los datos de cada sensor 127 if t HIEM print DEFLEXION if d 0 serie ser readline strip datol serie serie ser readline strip dato2 serie dato datol dato2 def lexion d lLong dato print deflexion d serie ser readline strip datol serie serie ser readline strip dato2 serie dato datol dato2 deflexion append long dato print deflexion d d d 1 i i 1 elif t Tension superficial print TENSION SUPERFICIAL if ts 0 serie ser readline strip TS ts float serie print TS ts serie ser readline strip TS append float serie print TS ts ts ts l i i 1 Figura A 2 5 15 Identificadores para cada sensor 7 En la l nea se alada en la siguiente figura se debe ingresar la ecuaci n para el c lculo de la tensi n en el material a partir
82. n CAS Vsmax Vsmin Vimax Vimin Vi f T Vs f Vi Vr Vsmax A Vimax o Vr Vsmin A Vimin VS A Vi Vr A ganancia del CAS Vr voltaje de referencia del CAS Figura 8 Esquema b sico de un CAS 17 En el esquema mostrado en la figura anterior la se al proveniente del transductor pasa primero por un circuito amplificador para luego entrar a un circuito sumador en donde se le sumar una tensi n de referencia para as lograr los valores requeridos a la salida R2 R1 Ya 1 Vs As Vit Vref Figura 9 Circuito b sico para un CAS 17 Esquema alternativo de un CAS En la figura 10 se puede observar el esquema alternativo de un CAS 24 Vsmax Vsmin Vimax Vimin Vr Vsmax A Vimax o Vr Vsmin A Vimin VS A Vi Vr VS A vi4 Vr A A ganancia del CAS Vr voltaje de referencia del CAS Figura 10 Esquema alternativo de un CAS 17 En el esquema mostrado en la figura anterior la se al proveniente del transductor pasa primero por un circuito sumador en donde se le sumar una tensi n de referencia para lograr los valores requeridos para la salida y luego entrar a un circuito amplificador Figura 11 Circuito alternativo para un CAS 17 25 3 2 4 Waspmote 13 Los m dulos Waspmote fueron dise ados y son distribuidos por la empresa Libellium Esta empresa espa ola dise a y fabrica tecnolo
83. n ohm metro la resistencia 65 entre los cables rojo y negro y entre el verde y blanco ambas mediciones deben ser cercanas a 3500 Si no concuerda esta medici n se debe devolver el sensor Para la calibraci n de estos sensores en la f brica utilizan un motor de paso de precisi n acoplado a una fase lineal y una tensi n de excitaci n utilizada es de 2 5Vdc El m todo de calibraci n se llama Sistema de Calibraci n Automatizada para el Transductor de Tensi n BDI BDI ASTCS Este m todo consiste en aplicarle una tensi n de excitaci n conocida y una tensi n en la superficie tambi n conocida se guardan los datos de salida en un rango superior a aproximadamente 1000ue La calibraci n se realiza utilizando la NIST traceablesystem que consiste en una peque a tabla de precisi n deslizable sobre un sensor de desplazamiento ptico y se verifica con un micr metro de precisi n calibrado Realizando pruebas de campo por parte de la empresa se ha encontrado el error en las mediciones anda en aproximadamente 2ue Debido a que cada sensor se calibra por aparte tienen diferentes curvas de calibraci n las cuales relacionan la tensi n aplicada en pe con la tensi n de salida del transductor Esto hace que a la hora de convertir el dato medido en mV para cada sensor se deba buscar su curva de calibraci n para encontrar la ecuaci n a su recta y as poder calcular la tensi n aplicada a ste 5 4 2 Sensor SR50A para la medic
84. n y la env a de forma inal mbrica a un nodo central que toma la informaci n y la env a por USB a una PC En el computador se lee la informaci n del USB y se analiza transformando el dato a la unidad de medida correspondiente a cada sensor por ejemplo el dato tomado del sensor de deflexi n se analiza y se pasa de tensi n a cent metros Una vez analizada la informaci n se almacena en un archivo y se env a por el protocolo FTP a un servidor 3 2 Variables de desempe o estructural utilizadas 3 2 1 Deflexi n La deflexi n o llamada tambi n flexi n mec nica es la deformaci n que sufren los elementos estructurales alargados como las vigas en direcci n perpendicular a su eje longitudinal al aplicarle una carga En la siguiente imagen se puede observar este fen meno en una viga 1 1 18 Stee Figura 2 Viga Deflectada 1 Para medir este fen meno que ocurre en los puentes debido a la carga aplicada por los autos que transitan sobre l se utilizan diferentes tipos de sensores en el caso del proyecto eBridge se seleccion el sensor ultras nico SR50A L de Campbell Scientific Este sensor mide la distancia desde el sensor hasta un blanco o punto de referencia enviando pulsos ultras nicos a 50kHz y escuchando los ecos que son reflectados por lo que el blanco debe ser un buen reflector de sonido La distancia se calcula dependiendo del tiempo que le tome regresar al eco al sensor Basa su medici n realizando varias
85. nnnnnnnncnnnnnn 33 Cap tulo 5 Descripci n detallada de la soluci n cccccccccnnccnnnnnnnnnnnnnnnns 35 5 1 An lisis de soluciones y selecci n fiNal ooooonnniccncccccnnnnccnnnnnananancnonnncnos 35 5 1 1 Soluciones sensor de tensi n superficial ST350 oooonnnnccccccccccnnccccnannnn 35 5 1 2 Soluciones sensor de deflexi n SR50A oocoooccccccnccccccnanonananccnnnnncnnnnnnnn 37 5 1 3 Red inal mbrica de Sensores oooococcccccccccccooooccncncncnonnnnnnnnnnnnnnnncnnnnnnnnnnnns 38 5 1 4 Recepci n procesamiento y envio de datos en la PC eeeeeee 39 5 2 Descripci n del har dWale cuida 40 5 2 1 M dulos de hardware para el sensor STBDO ooocccccccccnnncocooaccnnnncnnnnnnnnns 40 5 2 2 M dulo para el procesamiento de la se al del sensor SR50A 45 5 2 3 Red inal mbrica de SCNSOMeS sssssssssessssssesssssssssssssssseessseeeees 48 5 3 Descripci n del Software cocoocccccnnnncccccnncccnnccnnnnnnccncncnnnnnnnnnnnnnnncnnnnnnnnnn 50 5 3 1 Programaci n del PIC para el sensor SR50A oooccccccccnocananononononcnnnananns 50 5 3 2 Red Inal mbrica de sensores lusirisinioiiasicdd cid iii 54 5 3 3 Programa para la recepci n procesamiento y env o de la informaci n en ara tia dias dad 62 5 4 Calibraci n de SONO nan 65 5 4 1 Sensor ST350 para la medici n de la tensi n superficial 65 5 4 2 Sensor SR50A para la medici n de la deflexi n 6
86. ntre m s exacta sea la alineaci n m s exacta ser la medici n Para realizar la alineaci n se debe marcar primero la l nea central en el material tanto en la direcci n transversal como en la longitudinal La marca en la direcci n longitudinal debe ser de unos 20cm y la transversal de unos 10cm aproximadamente En la marca transversal se deben realizar 2 marcas adicionales a 3 81cm del centro En la siguiente figura se pueden observar las marcas que se deben realizar Las partes encerradas en c rculos son las superficies que son necesarias de preparar ya que la preparaci n del material depender del material en que se colocar el sensor SURFACE PREP LOCATIONS Figura A 2 1 1 Marcas para la alineaci n 7 Instalaci n Las dos marcas realizadas a 3 81cm del centro se utilizan para montar el sensor longitudinalmente alineando las marcas con el centro y los extremos del sensor El transductor se debe alinear con el eje de medici n para asegurarse que la tensi n ser medida paralelamente a este eje Es importante que las l neas de marcas sean dibujadas cuidadosamente debido a que los errores en las tensiones son m s susceptibles a aparecer cuando hay desalineamiento Una vez alineado 104 el sensor se colocan dos tornillos en cada uno de los huecos que coinciden con las lineas marcadas a 3 81cm del centro Figura A 2 1 2 Instalaci n del sensor SR50A 7 Ajuste de un excesivo offset en el transductor En a
87. o T rcoles con la tr gica consecuencia de personas fallecidas el accidente del puente sobre el R o Lagarto tambi n con consecuencias mortales y da os estructurales al puente entre otros m s que se pueden citar Con cada uno de estos colapsos de puentes se provocan p rdidas econ micas y humanas para el pa s y se arriesga la vida de miles de personas adem s del impacto econ mico que se genera al detener o retrasar actividades productivas que utilizan dicha infraestructura Este problema se da debido a la falta de inversi n en el mantenimiento de las estructuras y el desarrollo y puesta en marcha de sistemas de monitorizaci n que permitan conocer el estado del puente peri dicamente Para la monitorizaci n del estado estructural de un puente se pueden monitorizar muchas variables siendo las m s significativas 3 variables de desempe o las cuales son deflexi n tensi n superficial y desplazamiento de las junturas En la actualidad existen diferentes sensores que miden estas variables pero en el pa s se desconoce su funcionamiento y por ende su forma de instalaci n de calibraci n y el tipo de mantenimiento que se les debe dar para que se puedan utilizar en conjunto con una red inal mbrica de sensores Sin la previa investigaci n sobre estos sensores no se pueden instalar sistemas de monitorizaci n y continuar a el problema existente con los puentes del pa s donde el mantenimiento es casi nulo En la mayor a de los
88. o de datos en la PC 63 El programa inicia con la configuraci n del puerto serie ya que debe estar configurado a 38400bps para que pueda comunicarse con el Waspmote Gateway La fecha tambi n se configura para que tenga el formato yyyy mm dd Luego se crea el archivo csv que lleva como nombre la fecha A este archivo se le escriben los datos en la primera fila que corresponder n a las columnas e Hora e Valor de deflexi n e Valor de tensi n superficial Ahora s iniciamos con el loop infinito que ir recibiendo la informaci n almacen ndola y envi ndola Se inicia esperando un dato en el puerto serie si el dato est disponible se compara para ver si es un dato de deflexi n o de tensi n superficial Si fuera del primero se guarda en un arreglo para esta variable y si fuera del segundo se guarda en un arreglo para ste Lo anterior se realiza cada vez que haya un dato disponible hasta que cambia la hora la cual tiene un formato de HH MM As luego de cada minuto se toma cada arreglo y se calcula el valor promedio Este valor se convierte a su unidad de medida si es necesario convertirlo y con esto ya se puede guardar los datos en el archivo Antes de explicar la rutina de guardado se va a explicar la de env o FTP ya que sta es llamada dentro de la guardar datos en el archivo Figura 40 Diagrama de flujo del env o de datos por FTP En el env o de datos por FTP lo primero que se realiza es ingresar la direcci
89. o de recepci n e Baud rate alto e SPBRG 25 El puerto serie se configura para un baud rate de 9600 bps por lo que el valor SPBRG se elige seg n la tabla 20 3 de la hoja de datos para este PIC Luego de que se configura el puerto serie se procede a configurar los registros de interrupci n As se configura el registro RCON para deshabilitar las prioridades el INTCON para habilitar la interrupci n de los perif ricos y las interrupciones globales Por ltimo antes de empezar con la rutina principal del programa se configura el puerto D como salida ya que ste se utilizar en el env o del dato al Waspmote La trama de datos enviada por el sensor es de 22 caracteres Pero el dato de la medici n realizada por el sensor corresponde a los caracteres del 6 al 10 por lo que se utiliza una variable llamada n que cuenta los caracteres recibidos de la trama En la rutina principal primero se revisa si n es mayor a 15 si es asi el dato de la medici n en mil metros de la distancia entre el sensor y el blanco ya fue recibido Por lo tanto se empieza a analizar la trama hasta encontrar dos caracteres 3 seguidos de un punto y coma Esto quiere decir que los 4 caracteres siguientes corresponden a la medici n de la distancia en mil metros por lo que se puede iniciar con el env o del dato al Waspmote 52 Figura 31 Continuaci n rutina del programa principal para el PIC18F4550 El envio de los datos al Waspmote
90. o moviendo 3 puentes dentro de l se puede cambiar a RS232 que es con lo que trabaja el sistema desarrollado Para desarmar el sensor se debe primero desconectar el cable del sensor Luego se deben remover los 6 tornillos de la cubierta del transductor y desconectar los cables Figura A 2 2 1 Remover los tornillos de la cubierta del transductor SR50A y desconectar los cables 6 Luego cuenta con unos absorbentes de humedad los cuales se remueven se quitan 2 tornillos Philips para poder exponer la PCB 106 Figura A 2 2 2 Absorbentes de humedad del sensor SR50A 6 I I Figura A 2 2 3 Remover tornillos para exponer la PCB del SR50A 6 107 Con esto se puede mover los puentes ya sea para poder utilizar en formato RS 232 RS 485 o SDI 12 En este caso los colocamos en la posici n para el RS 232 m i m MODA Figura A 2 2 4 PCB del SR50A 6 Adem s para cambiarle las configuraciones de software se puede utilizar el programa Hyperterminal para Windows o cualquier otro programa usado para comunicaciones Si se utiliza el programa Hyperterminal se debe realizar lo siguiente e Iniciar la sesi n en hyperterminal Ingresar el comando SETUP y presionar la tecla Enter Cambiar el dato a la configuraci n necesaria ya sea el baud rate el intervalo de medici n unidad de salida entre otros 108 SR50A HyperTerminal DER Eile Edit View Call Transfe
91. o restador implementado para el sensor ST350 eee 42 Figura 21 CAS implementado para el sensor ST350 ccceeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeees 44 Figura 22 Esquem tico del hardware dise ado para el sensor ST350 45 Figura 23 Esquema utilizado para el MAX232 14 0ooooooocccccccccccncccccccncaccccccnnnnon 46 Figura 24 Esquem tico para el m dulo de hardware dise ado para el sensor O 47 Figura 25 Dise o final del PCB para el m dulo del sensor SR50A ee 47 Figura 26 Circuito t pico para la programaci n con ICSP 15 oooonnniiccnncnnnnnnn 48 Figura 27 M dulo XBee 802 15 4 13 ooooooonccccccccnnncccnnnononconccnnnnccnnnnnnnnnnncnnnnnnns 49 Figura 28 Waspmote Gateway 13 oooconinncccccccccnncccccnnnnnanoncnnnnncnnnnnnannnncnnnnnnns 49 Figura 29 Topolog a en estrella 13 ooonnonicccccinncncnccnnnnncccccccncnnnnncnnnncccnnncnnnnn 50 Figura 30 Diagrama de flujo del programa principal para el PIC18F4550 51 Figura 31 Continuaci n rutina del programa principal para el PIC18F4550 53 Figura 32 Rutina de interrupci n por puerto serie ooooococccccccccccccccncancnananccnnnnnnns 54 Figura 33 Diagrama de flujo para el programa principal del Waspmote para la medici n de la tensi n superficial ooooooccccnnnncccinicicococcnnnncnnnnnnananoncnnnnnnnnnnnnnnnnnnnos Figura 34 Diagrama de flujo del Waspmote para la lectura de la medici n de la A te
92. observa el archivo creado y el env o por FTP johcarvajal Hore n e me 2011 08 31 csv lia Pictures Videos io Lectura_USB py Ey Downloads Figura 63 Al iniciar el programa en la PC se crea el archivo csv 89 Archivo Edici n Ver Transferencia Servidor Marcadores Ayuda la CZ a o EEA ERE Servidor www ie itcrac c Nombre de usuario jcarvajal Respuesta 227 Entering Passive Mode 172 16 134 1 116 216 Comando ust Respuesta 150 Here comes the drectory isting Respuesta 226 Directory send OK Directorio istado correctamente DELE 2011 12 19 csv 250 Delete operation successful Je Documents 1 Computer b a H E O Resource DVD Oe Nombre cia Tama o d Tipo de archivo ltima modificaci n Nombre de archi Tamafiod Tipo de arc Ultima modific Ea Local Disk E if So Resource DVD CD Drive E 2011 08 23 cov 81 Archivo de 23 08 2011 05 rw t r Be CD Drive 2011 08 31 csv 81 Archivo de 31 08 2011 06 rw r r it 3 directorios 2 archivos Tama o total 162 bytes Servidor Archivo local Direcci Archivo remoto Tama o Prioridad Estado EL Cole vacia Figura 64 Servidor donde se enviara el archivo por FTP En la figura anterior se puede observar que eran las 12 38pm del 19 de diciembre del 2011 esta la ventana al servidor donde se guardara el archivo Como se puede observar existen solo 2 archivos Excel en la car
93. occcnnnnncccccccccnccccnnnnnnn 97 Cap tulo 7 Conclusiones y recomendaciOnes ccccceeeeeeeeeeeeeteeeeeeeeeeeeeeees 98 7 1 CONCIUSIONGS ccc ccceeccceccecceecceccueececcuecaueceecueeseccueeaueceecaeeseeceesaueceecteeseeeaees 98 2 MECOMeNOACIONGS canarias aaa 99 BIDASOA te 101 O 103 A 1 Glosario abreviaturas y SIMDOJOQ A cocooocococccccnnccccnnncnnnnonccnnnnccnnnnnnnnnnnnnns 103 A 2 Manuales de usuario cccccccnnncnococcccncncconnnanennnnncnnnnnccnnnnnnnnnnnnnnnnnnrnnnnnnnnnnnnnos 104 A 2 1 Manual de instalaci n del sensor ST350 7 oooococcnnnnccicccccncniccnanannno 104 A 2 2 Manual de instalaci n del sensor SR50A 6 cocoooccccinnccccccccnncccnnanana 106 A 2 3 Manual de mantenimiento para el sensor STBDO oonnnnccccccccccccccnnnnnnns 112 A 2 4 Manual de mantenimiento del sensor SR50A ooooccccccncccaccccncnncnnnnannns 112 A 2 5 Manual de usuario del sistema ooooccccnnnccccccccnnccccnnnnnnnannncnnnncnnnnnnnns 113 AOS AA IA 130 Anexo B 1 Hoja de datos de los m dulos Waspmote ooooooccccccnccccccnnnccannncnos 130 Anex B 2 Sensor ST390 caian 132 Anexo B 3 Sensor SHSOM aces seca eeaca en eets tee oeanatcg acces oeenotnerasacee eaten 135 INDICE DE FIGURAS Figura 1 Etapas del sistema de caracterizaci n estructural de puentes 18 Figura 2 Viga Deflectada lia AD eet 19 Figura 3 Sensor SR50A Olivia A AAA id 19 Figura 4 Puentes internos para cambiar de formato de salida
94. ores de se ales CAS son los que reciben como entrada una se al proveniente de un transductor y la convierte en una se al que se encuentra en el mbito de trabajo requerido por el circuito que procesar esta se al Se al del sensor Salida del CAS Vi Vo f Vi Circuito procesador Transductor de la se al Figura 7 Esquema general de un CAS 17 Procedimiento para el dise o de un CAS 17 Para el dise o de un CAS cualquiera que sea el circuito elegido se deben seguir varios pasos los cuales se explicar n a continuaci n 1 Definici n del mbito de medici n de la variable Se debe definir el m ximo y m nimo de la variable a medir 2 Medici n de la respuesta del transductor Realizar mediciones para conocer el mbito de salida que proporciona el transductor 3 Definici n del mbito de salida requerido Se debe definir el valor m ximo y m nimo requerido por el circuito procesador de la se al 4 Determinaci n de la relaci n entre la salida y la entrada del CAS Se debe obtener la relaci n entre la salida y la entrada del CAS para lograr esto es de mucha ayuda utilizar un gr fico para observar mejor la relaci n 5 Determinaci n de los par metros del CAS Se determinan los par metros como ganancia relaciones de resistencias etc para el tipo de circuito elegido Tipos de CAS 17 Esquema B sico de un CAS 23 En la figura 8 se puede observar el esquema basico de u
95. peta y ninguno con un archivo de la fecha de ese dia Con el inicio del programa en la PC se crea el archivo donde se guardaran los datos el cual se puede observar en la figura 63 Al para los 30 minutos se envia el archivo por FTP lo cual se puede observar en la consola de Linux 90 SUPERFICIAL TENSION SUPERFICIAL 355 0 TENSION SUPERFICIAL 354 0 TENSION SUPERFICIAL 340 0 TENSION SUPERFICIAL 338 0 TENSION SUPERFICIAL 342 0 TENSION SUPERFICTAL 341 0 ya promedio deflexion 667 0 promedio TS 4 43560813162 enviar ftp 2011 12 19 csv fin Figura 65 Envio del archivo por FTP 91 1 4 3295121301 4 45482711202 4 46940702818 4 49071358749 4 47537153934 _ 4 44024719585 4 45812968394 4 41307553391 4 41572642775 4 45096122515 4 40048378813 4 42633000315 4 46073639622 4 43560813162 4 43494540815 4 46920821114 4 43096906738 4 46464646465 4 43428268469 4 43428268469 4 45878136201 4 44965786901 4 44965786901 4 41506370429 4 41572642775 4 45030954708 4 41572642775 4 43560813162 4 46985988921 4 43560813162 Figura 66 Archivo csv creado por la PC 92 a jearvajal worwieiterac cr FileZilla Archivo Edici n Ver Transferencia Servidor Marcadores Ayuda la METAS 4 Be DRA EE waw iejterac
96. prueba de comunicaci n entre la PC y el m dem 60 BB x cTu _ a About PC Settings Range Test Terminal Modem Configuration Com Port Setup Select Com Port Communication with modem OK Modem type XB24 Modem firmware version 10E6 Serial Number 134200403D6C81 API Reponse Timeout T Enable API Timeout AT command Setup ASCII Hex Command Character CC gt 28 Guard Time Before BT 1000 gt Modem Flash Update 7 No baud change Figura 37 Prueba de comunicaci n entre el XBee y la PC Si la comunicaci n fue exitosa ya estamos listos para realizar la configuraci n del terminal Para esto elegimos la pesta a Modem Configuration elegimos el bot n Read y nos aparece el m dem y la configuraci n que posee en ese momento Cambiamos los par metros PAN ID y Channel a los elegidos y por ltimo elegimos API 0 En nuestro caso se eligi un PAN ID de 1134 el canal B En el caso del XBee conectado al Gateway se debe configurar como coordinador Luego presionamos el bot n Write y nuestro XBee se encuentra configurado 61 Bb COM7 X CTU Modem Parameter Profile Remote Configuration Versions PC Settings Range Test Terminal Modem Configuration Ea ownload new m Modem Parameter and Firmware r Parameter View gt r Versions Ea Read write Restore Clear Screen Save Show Defaults Load M Always Update Firmware Modem XBEE F
97. r Help Dw 3D R50A Main Setup Menu BAUD RATE 2000 BAUD Serial Operation Mode AUTO MEASURE AUTO OUTPUT Distance to Target or Depth DISTANCE TO TARGET OUTPUT Distance to Ground 0 000 Measurement Inveterval Units SECONDS Measurement Inveterval Value 60 Output Unit Quality Output Temperature Output Self Diagnostic Output Download New Firmware Exit Setup Mode B A M D 6 I y U Q T S F K Connected 0 13 30 ANSIW 9600 8 N 1 Figura A 2 2 5 Men en el hyperterminal para la configuraci n del sensor SR50A 6 Una vez configurados los diferentes datos a los valores requeridos se debe ingresar la letra X para salir del modo de configuraci n y el sensor est listo para usarse Instalaci n Para la instalaci n del sensor SR50A se debe tomar en cuenta el ngulo de medici n del sensor dentro del cual cualquier blanco que refleje sonido puede afectar la medici n Lo recomendable es colocar el blanco perpendicular al sensor ya que cuenta con un ngulo de aproximadamente 30 Lo que quiere decir que en un ngulo de 30 no debe haber ning n objeto que pueda afectar la medici n Para determinar el radio de medici n se utiliza una f rmula en donde se debe ingresar la distancia a la que se encuentra el blanco que colocamos para las mediciones CONO saio 9 208 CONO cura A 2 2 1 109 Figura A 2 2 6 Angulo de medici n del sensor 6 El blanco colocado para la medici
98. r lo tanto una mejora al sistema ser a incluir en la programaci n de estos m dulos el software para la lectura del estado de la bater a y en caso de que se encuentre baja poner en funcionamiento el panel solar y as tener un sistema que no necesite mantenimiento constante solo en casos de que el sistema falle o se da e lo cual es poco probable Otro aspecto que se debe incluir en este proyecto es la visualizaci n de los datos en el servidor Se debe crear alg n programa que permita ver gr ficamente los datos obtenidos para as comprobar el estado del puente y poder conocer f cilmente si el puente requiere alg n tipo de mantenimiento El dise o de unas cajas especiales que eviten el contacto tanto de los sensores como de los m dulos usados con el ambiente es necesario debido a que as se evita la corrosi n y el da o por la humedad agua entre otros Con esto se lograr a aumentar significativamente la vida til del sistema y un menor mantenimiento 34 Cap tulo 5 Descripci n detallada de la soluci n En este cap tulo se explicar detalladamente la soluci n propuesta En primera instancia se har un an lisis de las soluciones propuestas para cada etapa del sistema y se explicar el por qu se eligi una de ellas y el por qu se descartaron las otras Luego se explicar el funcionamiento y estructura de cada uno de los m dulos dise ados as como el criterio utilizado para la escogencia de stos Por
99. ra al 1 El otro se program para simular la medici n de un posible sensor LVDT y que enviara del 11 al 20 el ltimo con sensor de deflexi n y que enviara del 21 al 30 El programa dise ado en la PC en Python se encargar a de recibir estos valores mostrar los valores recibidos en la consola de Linux y guardar los datos en el arreglo calcular su promedio cada 15 segundos para simular lo que realizar a realmente y guardar el valor promedio en el archivo csv En las siguientes figuras se muestran pantallazos de la consola de Linux con los datos recibidos y del archivo csv Figura 59 Datos recibidos en la PC provenientes de los nodos en la red inalambrica de sensores 86 Tension superficial 24 6923076923 14 6923076923 a 64285714286 24 9230769231 14 9285714286 5 0 25 1428571429 15 2307692308 5 23076923077 24 6923076923 14 6923076923 4 64285714286 24 9230769231 14 9285714286 5 0 25 1428571429 15 2307692308 5 23076923077 24 6923076923 14 6923076923 la 64285714286 _ 24 9230769231 14 9285714286 5 0 25 1428571429 15 2307692308 5 23076923077 24 6923076923 14 6923076923 a 64285714286 24 9230769231 14 9285714286 5 0 25 1428571429 115 2307692308 9 23076923077 24 6923076923 14 6923076923 la 64285714286 24 9230769231 14 9285714286 5 0 25 1428571429 15 2307692308 5 23076923077 RRRRRRRRRR Figura 60 Archivo creado por la PC para guardar los promedios de los datos recibidos
100. ra la configuraci n del sensor pero en este caso se llega hasta donde se encuentran los absorbentes se retiran y se cambian La cubierta del transductor se recomienda reemplazarla cada 3 a os pero si se encuentra en un lugar con una humedad muy alta se debe reemplazar cada a o 75 Capitulo 6 Analisis de resultados En este capitulo se presentan los resultados obtenidos en las diferentes pruebas realizadas a los m dulos desarrollados Se explicar n los procedimientos desarrollados para llegar a obtener estos resultados y los equipos utilizados Adem s se analizar n estos resultados para verificar su funcionamiento y los alcances o limitaciones de las soluciones para cada etapa del sistema 6 1 Resultados 6 1 1 Resultados para el sensor ST350 Para comprobar el funcionamiento del CAS dise ado para el sensor ST350 se simul ste utilizando el programa Multisim La entrada al CAS es una onda senoidal que varia entre 2V y 2V y debe tener una salida de OV a 3 3V que corresponden a los par metros para los que fue dise ado el circuito Tektronix Oscilloscope XSC1 Tektronix TDS 2024 ES AGE OSCILLOSCOPE tt Figura 53 Simulaci n para el CAS del sensor ST350 utilizando Multisim 76 En la figura anterior la onda de color amarillo representa la entrada al CAS y la de color verde la salida Se puede observar al costado que para una entrada de 2V a 2V se tiene una salida de 278mV a 3 05V Lo cual no concuerda
101. res El proceso de caracterizaci n de los sensores utilizados requiere que se garantice tanto la precisi n como la exactitud Con este prop sito se plantea para cada uno de los sensores utilizados una prueba de hip tesis que permitir conocer si los sistemas de medici n poseen las caracter sticas apropiadas para la medici n de las variables de salida del modelo de confiabilidad estructural que persigue el proyecto eBRIDGE Se procede en primera instancia a definir las hip tesis de prueba para el sensor de tensi n superficial ST350 StrainGage HO El promedio de las mediciones de tensi n superficial tomadas por medio de grabador de datos Datalogger es igual al promedio medido por el nodo de la red inal mbrica de sensores para el sensor ST350 83 H1 El promedio de las mediciones de tensi n superficial tomadas por medio de grabador de datos Datalogger es diferente al promedio medido por el nodo de la red inal mbrica de sensores para el sensor ST350 Seguidamente se provee el conjunto de datos recolectados en el laboratorio correspondientes a la tabla 1 para realizar la prueba de hip tesis planteada arriba y se procede a realizar la prueba de hip tesis utilizando el software GENSTAT con el que se genera la siguiente entrada ha Available Data Test _Enor Two sample paired x Datalogger Medici_n Data Set1 Datalogger Tensi_nDat_mv Tensi_nSistema_mW Data Set 2 Nodo Confidence Limit 2 las T
102. s los cuales carecen de mantenimiento y sobre todo de control sobre el verdadero estado de salud de los mismos Los m ltiples accidentes que han sucedido en los ltimos a os en diferentes puentes del pa s abonado a los muchos de stos que se encuentran deshabilitados porque ya representan un peligro visible para la poblaci n hace que surja la necesidad de monitorizarlos para conocer el estado real y as anticipar cualquier accidente o incidente de seguridad Teniendo lo anterior en cuenta se puso como meta encontrar la soluci n m s viable en cuanto a la arquitectura de la red y la caracterizaci n de los sensores existentes en el mercado y definidos por la coordinaci n del proyecto eBridge para lograr conocer su funcionamiento y as dise ar unos circuitos que logren obtener mediciones confiables de cada sensor 4 2 Obtenci n y an lisis de informaci n Para la obtenci n de la informaci n relevante para el desarrollo del proyecto se utiliz la investigaci n en internet acerca de la importancia de la monitorizaci n de puentes y de los m todos utilizados para ste Se analiz la informaci n de varias formas una de ellas fue la viabilidad y relaci n de la informaci n a las condiciones existentes en el pa s y el otro m todo de an lisis utilizado fue el de costos ya que cualquier soluci n que se pudiera plantear deb a estar acorde a la situaci n del pa s por lo que el tema econ mico es de suma importancia
103. s m dulos XBee 131 Anexo B 2 Sensor ST350 Section 2 Specifications Effective gage length Overall Size Cable Length Material Circuit Accuracy Strain Range Force req d for 1000 ue Sensitivity Weight Environmental Temperature Range Cable Options Attachment Methods 3 0 in 76 2 mm Extensions available for use on R C structures 4 375 in x 1 25 in x 0 5 in 111 mm x 32 mm x 13 mm 10 ft 3 m standard any length available Aluminum Full wheatstone bridge with four active 350 Q foil gages 4 wire hookup 2 reading individually calibrated to NIST standards Approximately 2000 eu Approximately 17 Ibs 76 N Approximately 500 eu mV V Approximately 3 oz 85 g Built in protective cover also water resistant 58 F to 185 F 50 C to 85 C operation range BDI RC 187 22 gage two individually shielded pairs w drain Fully waterproofed Heavy duty cable Special quick lock connector available upon request C clamps threaded mounting tabs amp quick setting adhesive wood screws or concrete anchors Figura B 2 1 Especificaciones generales para el sensor ST350 132 F Certificate of Calibration Y Serial Number B2465 Bridge Diagnostics Inc Model BDI ST350 Initial Offset Voltage 1 471 mV General Gage Factor 546 154 Le mV V Table 1 Representative Calibration Data Applied Strain ue Transducer Output mV Applied Sirain e Y
104. s medidos Para esto se deben seguir los siguientes pasos 1 Dar doble click al archivo Lectura_USB py y en la ventana que se abre a continuaci n elegir Display Figura A 2 5 11 Abrir archivo Lectura_USB py 2 Conectar el Waspmote Gateway al puerto USB de la PC e identificar el puerto utilizado por ste 3 En la configuraci n del puerto serie del programa en Python cambiar el puerto que utiliza el Gateway 125 JE NOJA RARA RARA RARA RARARR AAA REL siguiente programa se encarga de la recepcion de datos de las mediciones realizadas a los sensores en la red inalambrica de sensores Recibe los datos los analiza y los guarda en un archivo para luego enviar este via FTP a un servidor Creado por Eugenia Guzman Rivera tttt gt t jbrerias importadas er O EE ERESEEEEESEEES ESET SS usr bin env python import sys import os import serial import time import csv import ftplib PERRO OJOS OOOO ION IRNOS NOOO TOROS RRA EH E KEKE EEE A AEE ESSE E EEEE EDOCLQrACION de variables 4444 FF FFF FHHEE EE KEELE EHH E EH EK E KKK KE KEARSE AR fecha time strftime Y m d Configuracion del formato de la fecha fecha_arc fecha ser serial Serial EWsasiess 38400 Configuracion del puerto serie fecha_arc fecha y 0 deflexion 0 Lvdt 0 TS 0 prom
105. s por tener un porcentaje de error bajo En la figura 57 se observa el gr fico de los resultados con el datalogger y con el sistema en ste se puede observar que el comportamiento de ambos fue el mismo cuando la curva de la medici n del datalogger aumentaba la del sistema tambi n y viceversa por lo que se corrobora que el sistema trabaja correctamente 94 En cuanto a la calibraci n del sensor ST350 no es necesario calibrarlo antes de utilizarlo ya que viene calibrado de f brica y como es totalmente sellado la calibraci n manual es muy complicada de realizar y solo con equipo especializado Por lo tanto la empresa Campbell s Scientific recomienda realizarle calibraciones peri dicas cada 1 6 2 a os esto con el fin de minimizar el mantenimiento que haya que darle al sensor el cual es nulo En cuanto a la instalaci n los pasos para sta se encuentran en el apartado 5 3 1 en donde se debe ubicar el punto de mayor tensi n en la viga y realizarle la instalaci n la cual es muy sencilla 6 2 2 An lisis de resultados para el sensor SR50A En el caso del sensor ultras nico para medir distancia SR50A se implement un circuito con un MAX232 y un PIC18F4550 Como este sensor es digital se eligi su formato de salida RS 232 debido a que la mayor a de equipos soportan este formato y se conect al MAX232 para convertirlo a salida TTL para poder ser interpretado por el PIC El PIC se encarga de leer la trama tomar el dato de la
106. sensores con los datos los datos medidos con el Datalogger CR1000 en condiciones exactas Para la comparaci n se utiliza la prueba T pareada de promedios la cual es una prueba estad stica para determinar las diferencias entre las medias de dos muestras diferentes a fin de determinar una significancia estad stica En los cap tulos siguientes se explicar n con m s detalle todos los aspectos referentes al proyecto tanto los aspectos te ricos como los referentes a la soluci n del problema As en el cap tulo 5 se explica m s detalladamente la implementaci n tanto a nivel de hardware como de software Luego en el cap tulo 6 se pueden observar todos los resultados obtenidos en las pruebas realizadas para comprobar el funcionamiento del sistema y en el cap tulo 7 se enlistan todas las conclusiones obtenidas con el desarrollo del proyecto y las recomendaciones para la mejora de ste 16 Capitulo 2 Meta y objetivos 2 1 Meta Contar con una red inal mbrica de sensores capaz de medir de manera efectiva variables de desempe o estructural de un puente de concreto 2 2 Objetivo general Desarrollar un prototipo funcional de una red inal mbrica de sensores para la medici n del desempe o estructural de un puente 2 3 Objetivos espec ficos 1 Establecer la arquitectura de la red inal mbrica de sensores que permita la recolecci n adecuada de los datos de desempe o estructural de un puente mediante el an lisis de apl
107. sor del PIC e Pin 12 patilla del receptor del PIC e Pin 13 Transmisor del sensor e Pin 14 Receptor del sensor Para la alimentaci n del PIC tambi n se utilizan los 5V entregados por el Waspmote El esquem tico final para el dise o de la PCB se puede observar en la siguiente figura 46 a Figura 24 Esquem tico para el m dulo de hardware dise ado para el sensor SR50A El dise o final del PCB para este m dulo utilizando el programa Eagle es el siguiente Figura 25 Dise o final del PCB para el m dulo del sensor SR50A 47 En las figuras 24 y 25 el componente X1 se utiliza para la conexi n de las entradas del sensor el componente JP1 y JP2 para poder montar el PCB en el Waspmote ya que coinciden con las entradas de este m dulo Adem s tiene el componente JP3 que se utiliza para la programaci n del PIC con el ICSP que es una forma de programaci n de PIC s dise ado por Microchip Isolation Circuitry Resist Schottky diod esistor or Schottky type diode PICKE 2 Programming 5V Header VPP MCLR VDD Vss ICSPDAT PGD ICSPCLK PGC AUX VDD Vss RA5 RAO ICSPDAT gt To Application RA4 RA1 ICSPCLK gt Circuit RA3 MCLR VpP RA2 Target Microcontroller Device
108. tat hy T Tests bajta eS Available Data Test ZEror Two sample paired x Distancia_Ref Distancia Sensor Medici _n Data Set 1 Distancia_Ref Data Set 2 Distancia_Sensor Confidence Limit 95 Type of Test One sided yl lt y2 O One sided y1 gt y2 Two sided Options Defaults Cancel Save Help Se obtiene la siguiente salida Two sample T test paired Calculated using one sample t test with the null hypothesis that the mean of Distancia_Ref Distancia_Sensor is equal to 0 e One sample T test Variate Y 1 kkk Summary kkk Sample Size Mean Variance StandardStd error deviation of mean Dist_Ref Dist Sen 40 42 92 328 3 18 12 2 865 95 confidence interval for mean 37 13 48 72 Test of null hypothesis that mean of Distancia _Ref Distancia _Sensor is equal to O Test statistic t 14 98 on 39 d f Probability lt 0 001 85 La probabilidad de que la hip tesis HO se cumpla es menor al 0 001 6 1 4 Red inal mbrica de sensores y recepci n en la PC Para comprobar el funcionamiento de la red inal mbrica de sensores se programaron lo m dulos Waspmote para que enviaran datos conocidos hacia el Gateway y ste a la PC As uno de los m dulos se program para se identificara como la medici n de tensi n superficial y que enviara los n meros del 1 al 10 sucesivamente y cuando llegara la 10 volvie
109. uir los siguientes pasos 1 Abrir el software Waspmote IDE para la programaci n de los m dulos el cual se puede observar en la figura A 2 5 1 2 Abrir el archivo XBEE_Deflexi n 120 2 XBee_Deflexion Waspmote IDE 01 File Edit Sketch Tools Help OO pi XBee_Deflexion OOOO OOOO OOK OR ROKK i aK ak a ok Este programa comunica al waspmote con el sensor SRSGA y con los modulos XBEE e el dato medido del sensor un PIC et los puertos digi s y lo envia inalambricamente al gateway que se comunica c la P Creado por Eugenia Guzman Rivera Instituto Tecnologico de Costa Rica AAA fDeclaracion de varialbes uint8_t dato4 0 uint8_t datol 0 uint8_t dato2 0 uint8_t dato3 0 long dato 0 char envio 10 uint8_t n 0 void setup I Inicializando las librerias XBee xbee802 init XBEE_802_15 4 FREQ2 46 NORMAL xbee802 0N USB begin ffHabilitacion de la alimentacion de 5Y a PWR setSensorPower SENS SV SENS_0N USB orinting TNTCTO ie eM Figura A 2 5 8 Programa para la lectura del sensor SR50A en el Waspmote 3 Cambiar el nombre con que se quiere identificar el sensor dentro de la red Se debe poner el nombre elegido en lugar de las palabras Deflexion mostradas en la siguiente imagen 121 XBee_Deflexion Waspmote IDE 01 File Edit Sketch Tools Help O0 00E E A AE XBee_Deflexion dato dato 1 F if n 1 1 datol dato dato 0 F else if n 2 dato2 dato
110. una salida entre 2V y 2V La finalidad del dise o de este CAS es poder adaptar la se al medida en el sensor para que pueda ser le da por el Waspmote que maneja como entrada valores de tensi n entre OV y 3 3V En la figura 8 se pueden observar los c lculos necesarios para el dise o de este circuito acondicionador de se ales Los cuales se mostrar n a continuaci n Ganancia del sistema V OUt max OUt nin a y Pmax min 5 2 1 2 1 42 _ 3 3V 0V 2V 2V A 0 825 Tension de referencia V E Vins a AV m 5 2 1 2 2 V 3 3V 0 825 2V V 1 65V Teniendo estos valores la ecuaci n de la recta para este CAS ser a VEAN TY 5 2 1 2 3 V 0 825V 1 65V Conociendo la ganancia y la tensi n de referencia del circuito se procede a calcular los valores de sus componentes Al igual que en el circuito restador se utilizan los amplificadores operacionales LM324 con tensiones de alimentaci n de 5V y 5V El valor de sus resistencias se calcul de la siguiente forma seg n la figura 9 R R R 10kQ 1 24 1 5 2 1 2 4 10kQ 2 0 825 1 R 15 38kQ 15kQ Por lo tanto el esquema del circuito queda de la siguiente forma 43 Figura 21 CAS implementado para el sensor ST350 Para lograr la tensi n de referencia se tom el valor de R5 de 2kQ y se calcul la resistencia R6 de la siguiente forma y VER Re R 5 2 1 2 5 R 1kQ El esquem tico final para el dise o del PCB
111. unction Set Version xe24 I BEE 802 15 4 v 10E6 v PES Networking amp Security o b D B CH Channel eo J 1134 ID PAN ID B 0 DH Destination Address High i Y 0 DL Destination Address Low D 1135 MY 16 bit Source Address E 134200 SH Serial Number High J 403D6C81 SL Serial Number Low ic Y 0 MM MAC Mode tow B 0 RR XBee Retries eo Y 0 RN Random Delay Slots i BJ 19 NT Node Discover Time ew J 0 NO Node Discover Options e Y 1 CE Coordinator Enable io Y FFE SC Scan Channels ic Y 4 SD Scan Duration i Y 041 End Device Association ic Y 0 42 Coordinator Association bu B 0 Al Association Indication i BI IM EE AFG Enomntion Enable Modify networking settings COM 38400 8 N 1 FLOW NONE XB24 Ver 1DE6 Figura 38 Configuraci n de los m dulos XBee 5 3 3 Programa para la recepci n procesamiento y env o de la informaci n en la PC Para la recepci n de los datos en la PC se eligi el lenguaje Python y el sistema operativo Linux As se abre un editor de texto y se guarda el archivo con un py y listo tenemos nuestro archivo para el programa en Python El prop sito de este programa es recibir los datos le dos de los sensores y enviados del Gateway hacia la PC procesarlos guardarlos en un archivo csv que puede ser le do por Excel y luego enviar el archivo v a FTP al servidor 62 Figura 39 Diagrama de flujo del procesamient
112. ype of Test One sided y1 lt y2 C One sided y1 gt y2 Two sided Options Defaults Cancel Save Help Y se obtiene el siguiente resultado Summary Sample Size Mean Variance Standard Standard error Deviation of mean Datalogger Nodo 24 0 01083 0 003660 0 06050 0 01235 95 confidence interval for mean 0 01471 0 03638 Test of null hypothesis that mean of Datalogger Nodo is equal to O Test statistic t 0 88 on 23 d f Probability 0 389 Lo anterior indica que se puede afirmar con un 95 de nivel de confianza que el valor medido por el datalogger es igual al valor medido por el nodo para el mismo sensor y la misma prueba paired test Se procede seguidamente a plantear la prueba de hip tesis para el sensor ultras nico de medici n de distancia SR50A para el cual se plantea la siguiente hip tesis 84 HO El valor de distancia promedio medido por medio del nodo de la red inalambrica de sensores para el sensor SR50A es igual al valor promedio medido manualmente utilizando cinta m trica H1 El valor de distancia promedio medido por medio del nodo de la red inal mbrica de sensores para el sensor SR50A diferente al valor promedio medido manualmente utilizando cinta m trica La tabla de datos obtenida en el laboratorio para la realizaci n de la prueba de hip tesis corresponde a la tabla 2 Se muestra la entrada al software de an lisis estad stico Gens

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