Innovación avanzada para conservar el patrimonio histórico y cultural valenciano: el proyecto SISPATINT 2023

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El Instituto continúa desarrollando el proyecto de I+D SISPATINT 2023 (Prueba, configuración y mejora del sistema PATINT, y estudio y análisis de biomateriales y estructuras de madera y derivados), que pertenece a la línea estratégica de I+D de AIDIMME BIOMATERIALES, concretamente a la sub-línea de trabajo BIO0 (Análisis y caracterización de estructuras de madera).

Este proyecto está financiado por la Generalitat Valenciana mediante el programa Planes de Mejora de la Actividad y Capacidad de I+D Fondos GVA para el ejercicio 2023, que es impulsado por el IVACE (Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial). Se compone de diferentes actividades de investigación aplicada para probar, configurar y mejorar el sistema PATINT (desarrollado en 2019 en el proyecto DIPPATINT, también con la financiación de fondos GVA), así como de actividades para el estudio y análisis de biomateriales y de estructuras de madera.

Dicho sistema es una herramienta para monitorizar, preventivamente y de forma automatizada, la madera en obras de arte, construcciones de patrimonio y obra nueva. Este sistema, robusto, escalable y muy flexible, resultará compatible e integrable con plataformas de Smart Cities, Smart Islands y Smart Heritage.

En la nueva arquitectura del sistema PATINT, los nodos sensores son ahora también nodos WiFi (es decir, monitorizan automáticamente la madera y también transmiten por WiFi los datos obtenidos) y, por tanto, incluyen componentes WiFi de bajo consumo energético. Cada nodo sensor WiFi consta de un módulo DIPP_SENS (módulo sensor, que va insertado en la madera y mide los parámetros de interés) y un módulo DIPP_WIFI (módulo de control y comunicaciones).

En la anualidad 2022, tras pruebas con varios conversores DC/DC elevadores (también conocidos como conversores boost), se concluyó que no es posible utilizar con pilas alcalinas un convertidor elevador de bajas corrientes de polarización para los usos que requiere DIPP_WIFI. La demanda de corriente es demasiado exigente y solo funcionan correctamente los conversores cuando las pilas tienen una carga superior al 59%. Por ello hubo que cambiar el tipo de pilas y diseñar una nueva etapa de entrada para la alimentación del módulo DIPP_WIF con esas pilas.

En la presente anualidad, se han hecho hasta el momento pruebas exhaustivas de consumo energético con la nueva etapa de entrada. Estas pruebas se han realizado durante varios meses seguidos, a fin de determinar cómo influye en el consumo la pérdida progresiva de carga de las pilas. En las pruebas, el nodo sensor WiFi “duerme profundamente” (estado deep-sleep), y permanece “despierto” en total durante aproximadamente 1 minuto al día. Cada 12 horas el nodo sensor sube mediante WiFi a la nube las últimas 48 lecturas. La duración aproximada de esta operación es de unos 10 segundos, aunque puede variar entre 4 y 20 segundos, dependiendo de la red WiFi. El dispositivo se despierta cada 15 minutos para tomar una medida, que dura aproximadamente 0,25 segundos. Cada 4 horas, además de tomar una medida, el dispositivo almacena las últimas 16 lecturas en una tarjeta micro-SD. La operación conjunta de lectura y almacenamiento dura aproximadamente 0,6 segundos.

A continuación, se resumen los resultados obtenidos en los diferentes estados en los que puede hallarse el nodo sensor WiFi.

Estado deep-sleep

Puesto que es el estado en el que más tiempo se encuentra el nodo sensor, resulta crucial conseguir un consumo energético bajo durante esta etapa.

El consumo medido con el multímetro oscila entre los 15 y los 19 uA dependiendo del estado de carga de la pila. Para los cálculos de consumo, por prudencia, se considera el peor caso (19 uA).

La siguiente fotografía muestra el consumo registrado durante el estado deep-sleep con un multímetro digital (15 uA).

Medida del consumo energético del nodo sensor en estado “deep-sleep”.

Estado de medida

La etapa de medida tiene un consumo medio de 39,4 mA. La siguiente fotografía muestra la medida de corriente obtenida mediante un multímetro digital.

Medida del consumo energético del nodo sensor en estado de medida.

La duración de una medida es de aproximadamente 0,25 segundos. En la siguiente fotografía puede observarse la duración de aquella mediante la monitorización la corriente de entrada con el osciloscopio (1 mV=1 mA).

Duración de una medida del nodo sensor.

Medida y almacenamiento de los datos en la tarjeta micro-SD

La siguiente fotografía muestra que el consumo de corriente cuando el microcontrolador se despierta y alimenta tanto al sensor como a la tarjeta micro-SD es de 43,5 mA.

Consumo de corriente cuando el microcontrolador se despierta y alimenta tanto al sensor como a la tarjeta micro-SD.

Sin embargo, para que el multímetro digital pueda mostrar el consumo de corriente ha tenido que aumentarse la duración de este estado, siendo la corriente media de esta etapa mayor. Como muestra la siguiente fotografía, el perfil de corriente obtenido con el osciloscopio es irregular: resulta mayor al inicio y al final de la etapa.

Perfil de corriente obtenido con el osciloscopio.

Por este motivo, se ha decidido utilizar en los cálculos de consumo un valor medio de 80 mA durante los 0,6 segundos que dura aproximadamente la etapa de medida más almacenamiento en la memoria micro-SD.

Para medir con mayor exactitud la duración de este estado en el que se toma una medida y se almacena en memoria las últimas 16 medidas registradas, se ha monitorizado con el osciloscopio la activación de la alimentación de la tarjeta micro-SD (amarillo) y la activación de la alimentación del sensor (azul), como muestra la siguiente fotografía.

Activación de la alimentación de la tarjeta micro-SD (amarillo) y la activación de la alimentación del sensor (azul).

Como puede observarse, esta etapa tiene una duración total de aproximadamente 600 ms, de los cuales dedica a la medida unos 250 ms, lo que coincide con las medidas obtenidas previamente mediante la monitorización del consumo de corriente.

Medida, almacenamiento y envío de datos a la nube

El consumo promedio de esta etapa, que dura alrededor de 10 segundos, es inferior a los 150 mA, como muestra la siguiente imagen.

Consumo promedio de la etapa de medida, almacenamiento y envío de datos a la nube.

El hecho de activar la WiFi enmascara el consumo del resto de etapas incluidas en esta fase, y la actividad WiFi se convierte en la dominante, desde el punto de vista energético.

A modo de ejemplo, las siguientes imágenes muestran lo variable que puede ser la duración de esta etapa, dependiendo del tiempo de conexión a la WiFi local.

Dos ejemplos de duración de esta etapa, que depende del tiempo de conexión a la WiFi local.

A partir de los consumos calculados en cada etapa del nodo sensor WiFi y de la duración prevista de cada una, puede calcularse que si se alimenta con una pila de 1.500 mAh su duración será de 738 días (2 años aproximadamente), suponiendo que pueda usarse la pila hasta un 80% de su carga.

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