Fundamentos de la auscultación sin cables. Instrumentación geotécnica

Introducción

Aunque los sensores inalámbricos existen desde hace ya algunos años, la adopción de los mismos en el ámbito de la geotecnia es mucho más reciente. Supone un reto tecnológico desarrollar una solución verdaderamente robusta con sensores precisos y estables, con una larga duración de las baterías y una transmisión de los datos al usuario sin utilizar cables.

Hay muchas empresas y soluciones en el mercado que aseguran que son capaces de conseguir lo anterior, pero la realidad es que muchas de las ofertas del mercado no tienen todavía un grado suficiente de madurez en sus soluciones.

Sin embargo, la tecnología inalámbrica está siendo reconocida como una opción práctica y suficientemente robusta para la auscultación o monitorización en geotecnia.

En el diseño de cualquier sistema de monitorización geotécnico, hay muchos factores a considerar, y este artículo es una guía para aquellas personas que vayan a utilizar sensores sin cables, así como robustos enlaces de comunicación.

En el artículo, sin llegar a ser excesivamente técnico, se incluye una guía general de las diferentes arquitecturas de sistemas inalámbricos con el ánimo de que las personas y empresas del sector hagan las preguntas adecuadas cuando tengan que evaluar la implantación de un sistema inalámbrico de sensores para auscultación.

Las soluciones inalámbricas están suficientemente probadas, son muy robustas y ofrecen ventajas importantes en muchas situaciones, reduciendo costes, disminuyendo significativamente la mano de obra en las instalaciones, así como la típica falta de fiabilidad y otros aspectos habitualmente asociados con los sistemas con cables.

Además, estos sistemas inalámbricos están siendo reconocidos como sistemas que abren oportunidades en el sector de la monitorización, que de otra forma serían muy difíciles de realizar o imposibles. Este artículo se completa con algunos comentarios sobre estas posibilidades, para mostrar que los sistemas sin cables pueden ser mucho más que una alternativa eficiente y de ahorro de costes a los sistemas con cables.

Típica arquitectura inalámbrica

Veamos primero los principales elementos de una red inalámbrica típica de sensores. Ver la Figura 1. Un sensor está conectado a (o integrado con) un nodo o sensor inalámbrico. Uno o más de esos nodos se comunica vía radio con una unidad colectora de datos, para almacenar y/o enviar a su vez los datos de las mediciones.

sta unidad colectora puede ser lo que se conoce como un simple almacén de datos o “data logger”, en los que los datos se descargan manualmente accediendo físicamente a ese dispositivo, o bien puede descargarse automáticamente pasando los datos a un almacén de datos remoto. En este último caso a este dispositivo se le suele llamar gateway. El enlace de datos entre el Gateway y el almacén remoto se le llama habitualmente data backhaul.

Esta transmisión o data backhaul se puede realizar utilizando diferentes mecanismos, por ejemplo: marcando un número mediante un modem; ADSL; GSM/GPRS/3G o por enlace vía satélite. La solución elegida dependerá en gran medida de los recursos disponibles en el lugar donde se encuentre la instalación del sistema, este aspecto se comenta posteriormente en el artículo. Los datos se almacenarán a continuación en una base de datos (que puede estar en un almacén de datos en la “Nube” o simplemente en un PC).

A continuación, el usuario puede acceder a esos datos, ya sea mediante un proceso semi-manual (por ejemplo, en una aplicación de hoja de cálculo como Microsoft Excel) o bien mediante un paquete de software específicamente dedicado con prestaciones gráficas y dinámicas de presentación de los datos, como el que se muestra en la figura 2.

Figura 2. Gráfica obtenida para varios nodos o sensores clinométricos donde se observa los valores de los movimientos submilimétricos / m en el eje X durante 1 semana (valores máximos inferiores a +/-0,5 mm)

En todo caso, y a pesar de que existen en el mercado paquetes de gestión y visualización de datos que están en continua y rápida evolución en cuanto a potencia gráfica y flexibilidad, estas formas de representación de datos quedan fuera del alcance de este artículo; el foco se centrará en los elementos inalámbricos del sistema.

Además, aunque como se ha indicado anteriormente puede haber situaciones como que un nodo inalámbrico este simplemente conectado a un data logger, para el propósito de este artículo se considera una solución completa como la que se muestra en la Figura 1.

Arquitecturas inalámbricas para sensores geotécnicos

Hay tres arquitecturas principales para las redes de sensores inalámbricas, que son las que se muestran en la Figura 3. No se pretende ser exhaustivo, sino simplemente identificar los principales tipos, que se describen a continuación.

Punto a punto

Punto a punto es la arquitectura más simple. Consiste en un nodo o sensor remoto que se comunica vía radio directamente con un Gateway. El Gateway proporciona el data backhaul a la base de datos, pero puede estar situado también junto al sistema principal de almacenamiento de datos.

Esta arquitectura es adecuada para un único punto o para puntos a auscultar que estén muy dispersados, y utiliza habitualmente GSM/GPRS como enlace inalámbrico, o bien vía satélite cuando la localización es muy remota.

Hub & Spoke

En un sistema “Hub and spoke” los sensores inalámbricos o nodos se comunican directamente con un “repetidor” o con un nodo “controlador” del hub. Cada nodo-sensor necesita estar en el alcance del nodo “controlador”. Entonces, los nodos “controladores o repetidores” se comunican (directa o indirectamente) con un nodo controlador primario, que actúa como un Gateway.

Este reenvía los datos al sistema de almacenamiento de datos vía un data backhaul. Este sistema se conoce a menudo como sistema jerárquico, ya que los nodos actúan como “esclavos” de los nodos controladores o repetidores. Habitualmente estos sistemas consumen poca energía, tienen un corto alcance inalámbrico desde el punto de vista de las comunicaciones de los sensores-nodo, y son adecuados cuando se necesitan grupos o conjuntos de sensores en una determinada zona. Sin embargo, los nodos repetidores y controladores tienen un significativo consumo de energía asociado con la necesidad de tener que repetir o reenviar mensajes; en la práctica este tipo de nodos precisan una fuente de alimentación externa al propio nodo.

Mesh (red en malla)

En una red tipo mesh, cada nodo se comunica con uno o con varios nodos vecinos. Todos los nodos de la red tienen el mismo estatus, por eso se dice a menudo que se trata de una arquitectura en red no-jerárquica. Los nodos envían los datos vía sus vecinos, usando la ruta más eficiente en dirección hacia el Gateway. A continuación, el Gateway almacena los datos y los envía al usuario vía un data backhaul. Esta arquitectura permite que la red se auto-configure, lo que la hace más segura y robusta, así como más fácil de ampliar y modificar.

Consideraciones en un proyecto

Como en todo proyecto de monitorización, es necesario responder un buen número de preguntas, explicitas o implícitas. Estas respuestas tendrán gran influencia en la elección de utilizar o no un sistema inalámbrico, y en caso afirmativo, el tipo de sistema inalámbrico a utilizar.

¿Qué medir y con qué frecuencia?

¿Cuántos puntos hay que monitorizar?, ¿están próximos entre sí o están muy separados o dispersados?, ¿cada cuánto se necesita realizar lecturas o medidas?, quiero decir ¿REALMENTE cada cuanto es necesario obtener datos en cada punto? Los sistemas inalámbricos no son en general adecuados para lecturas de datos continuas o muy frecuentes, ya que esto supone un alto consumo de energía y el sistema es demasiado exigente para las baterías de los nodos-sensores. Como ejemplo, en muchas aplicaciones a largo plazo de monitorización de estructuras, una lectura cada hora es más que suficiente.

Puede ser necesario ajustar la frecuencia de medición de los sensores, por ejemplo, cuando ocurra una intensa actividad en la construcción de una obra o cuando se observen movimientos significativos. Algunos sistemas permiten estos cambios de frecuencia. En ese caso cabe preguntarse, ¿es fácil de realizar esos cambios de frecuencia o requieren algún tipo de intervención in-situ?, ¿se pueden hacer los cambios remotamente vía la comunicación backhaul?

Situación y acceso

¿Dónde se tienen que colocar los sensores?, ¿están agrupados en un espacio limitado, o están ampliamente dispersados?, ¿es en un espacio abierto y en el exterior o es un espacio restringido o incluso confinado y subterráneo como un túnel o un sótano?, ¿qué infraestructuras de alimentación de energía hay disponibles?, ¿qué infraestructuras de comunicación hay disponibles para sacar o enviar los datos fuera de la zona de auscultación?, ¿es posible utilizar GSM o satélite?, en caso contrario, ¿hay acceso a la red de telefonía, a la red de comunicación de datos, y/o a internet?

¿La zona es de difícil acceso?, ¿qué tipo de restricciones y permisos existen para acceder a la zona?, ¿puede haber problemas de mantenimiento de los cables que conectan los sensores, y pueden sufrir daños debidos a la circulación de personas, equipos de ingenieros y trabajadores o de animales como los roedores?, ¿es necesaria flexibilidad en el emplazamiento de los sensores?, ¿es necesario extender, adaptar, mover o reubicar los sensores durante el periodo de monitorización?

Topología de la red

Si solo se necesita uno, dos o un número muy pequeño de puntos con sensores, y no están agrupados, será suficiente un simple sistema de tipo punto a punto. Sin embargo, hoy en día incluso con relativamente pocos sensores, una solución en red será igualmente efectiva desde el punto de vista del coste. Las redes son más flexibles y permiten la adaptación y la ampliación a lo largo de la vida del proyecto de monitorización.

Tanto la arquitectura “Hub & spoke” como la de tipo “mesh” proporcionan soluciones que admiten múltiples sensores; sin embargo, hay diferencias significativas en la configuración, flexibilidad, robustez y en los requerimientos de consumo de energía en toda la instalación, que dependen de la arquitectura y del producto concreto seleccionado.

Es necesario tener en cuenta importantes aspectos y consideraciones al seleccionar la arquitectura y el proveedor, ya que parte de las empresas especializadas de este sector son todavía inmaduras o con escasa experiencia. ¿Es sencillo configurar la red?, ¿se necesita una configuración basada en sensor por sensor?, este puede ser un aspecto relevante especialmente en redes de tipo “Hub & spoke”, donde los nodos de control o repetidores se deban configurar de nuevo cuando se añadan o quiten nuevos nodos.

En una red múlti-hop, como son las redes “mesh”, ¿cuántos “hops” soporta? Si son pocos, esto podría limitar considerablemente el área en la que se puedan instalar los sensores.

Alimentación de energía

¿Qué alimentación se necesita?, y ¿es diferente dependiendo de las diferentes partes del sistema? Habitualmente los sensores o nodos se alimentan con baterías y proporcionan una vida operativa de 5 – 15 años. Sin embargo, esta duración depende del tipo y fabricación del sensor, de la frecuencia con la que se toman las lecturas, del tamaño de las celdas de la batería, pero puede estar también influenciada por la ubicación del sensor dentro de la red. Por ejemplo, en algunas redes tipo mesh, donde hay muchos nodos, aquellos situados más próximos al Gateway pueden consumir sus baterías ligeramente más rápido.

A continuación, imágenes de diferentes tipos de sensores-nodos, por orden de izquierda a derecha: sensor con medidor de desplazamientos, sensor de giros o clinómetro y sensor con fisurómetro.

En los sistemas “Hub & spoke” los nodos de control y/o repetidores necesitarán alimentación externa, ya que necesitarán estar activos permanentemente. En una red “mesh”, habitualmente el único elemento que requerirá alimentación externa será el Gateway. ¿Es posible utilizar algún sistema generador de energía para alimentar el sistema allí donde se necesite, por ejemplo, con un panel de energía solar? Esto dependerá del proveedor del sistema, y del tipo de backhaul utilizado. En algunas instalaciones los requisitos de energía para el Gateway y el backhaul son tales que no es práctico o posible la utilización de energía solar. Si ese es el caso, ¿hay disponible una fuente de alimentación o conexión directa a la red eléctrica en la zona?

Robustez de los datos

¿Es fiable la transmisión de datos?, ¿el sistema retransmite las lecturas de datos “perdidas” ?, ¿se resguardan temporalmente las lecturas de los datos en los nodos?, si es el caso, ¿cuántas lecturas se pueden guardar?, si el enlace de comunicación se corta temporalmente, ¿el sistema retransmitirá los datos cuando el enlace de comunicación quede restablecido? Estas preguntas son pertinentes para los sensores o nodos individuales, pero también son pertinentes para los nodos de control y/o repetidores y el Gateway.

Estabilidad de los sensores

Parece evidente que la calidad de los datos es de suma importancia, y que es necesario que se adapte al propósito final de la auscultación. Esto es así en particular, tanto en los sistemas que tienen sensores integrados, como en aquellos conectados a sensores externos, ¿es la resolución de los datos suficiente para el propósito de la monitorización?, ¿es suficientemente estable el dato en el tiempo y con los cambios de temperatura?, ¿son los datos propensos al ruido, a los picos o a lecturas anómalas?

Ejemplo de gráfica obtenida para 1 nodo clinométrico donde se observa la correlación entre los valores de temperatura (dia noche) y los movimientos submilimétricos / m durante 1 semana

Instalación

¿Es fácil instalar el sistema?, ¿se necesita mucho trabajo de configuración antes, durante y después de la instalación?, ¿es necesaria alguna intervención sobre los mismos nodos en esa configuración?, ¿es posible determinar las prestaciones de la red inalámbrica en el momento de la instalación, de tal manera que el instalador pueda confiar en el correcto funcionamiento del sistema antes de abandonar el lugar?, ¿puede la empresa constructora, el topógrafo u otra persona razonablemente formada realizar la instalación sin ayuda significativa o soporte?

Alcance inalámbrico

El alcance puede variar considerablemente, no solo con el tipo de sistema, sino también con la localización y la altura en la que se instalen los nodos inalámbricos. Los factores clave dependen del lugar donde este colocado el Gateway, lo lejos que se necesite ubicar y extender los sensores y de las obstrucciones que existan en la zona.

¿Cuál es el alcance de cada nodo inalámbrico?, ¿Cómo queda afectado este alcance por los factores ambientales locales del entorno, como la altura, obstrucciones y vegetación?, ¿necesita el sistema tener repetidores para sortear obstrucciones, y estos repetidores tienen que estar encendidos (consumiendo energía) todo el tiempo?, ¿a través de qué tipo de obstrucciones puede pasar la señal inalámbrica? Notar que en general, cuanto más alta sea la posición de la antena, mayor será el alcance inalámbrico.

Bandas de frecuencia

En general los sistemas de sensores inalámbricos (no el backhaul), operan en las bandas de radio frecuencia acordadas para la ISM (Industrial, Scientific and Medical), habitualmente en las bandas de 2,4 GHz o 900 MHz., que aunque en principio están exentas de la obtención de una licencia, es importante asegurarse en cada país donde se requiera instalar un sistema, y cuáles pueden ser las restricciones locales que pueden haber en cuanto a la potencia inalámbrica o incluso del tipo de aplicación para la que se usará el sistema.

Data backhaul

El data backhaul dependerá en gran medida de las instalaciones disponibles en la zona donde se va a instalar el sistema. En la mayoría de Europa, habrá cobertura GSM y será de buena calidad, si bien se debería comprobar en lugares remotos o de difícil acceso. En su forma más simple, los datos pueden almacenarse en el Gateway y descargarse manualmente, pero esta es claramente la solución menos deseable. Para ubicaciones muy remotas donde no haya cobertura GSM, la comunicación vía satélite podría ser una buena alternativa.

Para zonas confinadas y subterráneas, la única solución viable podría ser usar un enlace de comunicación por cable. De nuevo, la opción definitiva dependerá de la ubicación y podría usarse por ejemplo un enlace con cable entre un “hop” y un modem GSM, un enlace DSL vía línea telefónica, o una conexión Ethernet, pero todo ello dependerá en gran medida de las circunstancias locales.

El potencial de los sistemas inalámbricos

Los factores más comunes conducentes a la utilización de sistemas inalámbricos en la monitorización geotécnica han sido los costes, el bajo mantenimiento, y la facilidad o sencillez de la instalación. Los sensores inalámbricos habitualmente deberían ser más baratos de instalar que los sistemas con cables, ya que no necesitan cables y son mucho más rápidos de colocar. Esto tiene beneficios colaterales en términos de localizaciones peligrosas donde el tiempo de acceso es restringido, y que de otro modo se incurriría en costos de acceso y de personal adicionales. La eliminación de los cables en sí mismos, puede conllevar ahorros por la reducción en soporte y mantenimiento durante la vida útil del sistema.

Además, hay más beneficios potenciales en la utilización de la tecnología inalámbrica. Al usar esta tecnología para el backhaul, se permite el acceso remoto a los datos. Incluso el uso de sensores inalámbricos en una red mesh permite mucha más flexibilidad en términos de la ubicación del sistema. Es posible añadir sensores al sistema, sin tener en cuenta el tipo de sensor, para extenderlo para una aplicación determinada, así como reconfigurar el sistema según las necesidades, con un mínimo esfuerzo y sin necesitar ser un especialista.

Ejemplos de instalaciones de sensores en lugares de acceso de tiempo restringido.

La tecnología inalámbrica también ofrece la posibilidad de monitorizar donde los sistemas con cables u otros, como los que se basan en tecnología óptica (estaciones totales motorizadas o robotizadas), no son factibles, debido al espacio que ocupan y a otras restricciones. La tecnología inalámbrica también se presta a la implementación táctica y/o logística donde se necesiten sensores en un entorno dinámico, como en trabajos de ingeniería y construcción, teniendo que moverse de un lugar a otro con cierta frecuencia. De nuevo esto se puede realizar sin necesidad de personal especializado.

Por último, la evolución de la electrónica sigue siendo fundamental en la evolución de los sensores inalámbricos, con unidades cada vez más eficientes desde el punto de vista de consumo energético, y de tamaño más pequeño, de tal forma que sea más simple y menos invasiva su colocación, y reduciendo los costos, lo que hará incluso más viable económicamente desplegar sensores de forma integral en los activos a monitorizar, donde en el pasado no se consideraba posible hacerlo.

Tipos de sensores inalámbricos

A continuación, una enumeración de los tipos de sensores y/o nodos más habituales en los sistemas de monitorización inalámbricos en geotécnia, que pueden formar parte de la red de auscultación:

Clinómetros triaxiales