Sistema de Aquisição de dados com LAbVIEW e WSN para

Sistema de Aquisição de dados com LAbVIEW e WSN para monitoramento de monumento
histórico
" “A rede de sensores NI WSN é uma solução
adequada para solucionar o problema de
monitorização de edifícios históricos por que
permite localizar os sistemas de medição de formas
muito variadas. É flexível e permite a conexão de
uma grande variedade de sensores”"
- Juan José Cabana González, Diseño Implementación y Optimización OPIDIS
O desafio:
A solução consiste em monitorar de forma experimental um monumento histórico para estabelecer as pautas de conservação e prevenir o
deterioramento do monumento pela ação ambiental e humana. A principal dificuldade do projeto é a limitação em realizar instalações de cabos,
ocultar os sensores para não distorcer a aparência do monumento e atenuar o sinal de comunicações por rádio devido aos muros e pilares de pedra
do monumento.
A solução:
O projeto consiste em uma rede de sensores inalâmbricos da National Instruments (WSN) e um sistema de medição WIFI WLS-9163 para a
medição de um acelerômetro triaxial.
Autor(es):
Juan José Cabana González - Diseño Implementación y Optimización OPIDIS
Jose M. de Uña García - OPIDIS
Marian Chiriac - Fundación Santa María La Real
A Fundação Santa María la Real (Aguilar de Campo), desenvolveu um projeto de restauração da igreja de Santa María de Mave. Esta igreja e seu
monastério são do período romano e sua conservação e restauração foram financiadas pelo governo regional de Castilha e León através do programa
Românico Norte, que a Fundação Santa María la Real desenvolve e, o projeto de monitorização Heritage Monitoring System program (MHS), que é
financiado por um grupo de ação local País Románico, através dos programas de desenvolvimento do Ministério do Meio-Ambiente, Agricultura e
Marinha.
Após a remodelação, foi desenvolvido um projeto piloto para a monitoração dos parâmetros meio-ambientais da igreja e outros parâmetros, como os
listados abaixo:
Temperatura do Ar e umidade relativa de 17 locais dentro da igreja
Temperatura do ar e umidade relativa fora da igreja
Aquisição de Dados para uma estação meteorológica compacta localizada na parte superior da igreja
Medição das vibrações na estrutura
Estas medidas devem ser armazenadas em um computador central localizado dentro da igreja e os dados devem ser transmitidos a um local remoto para
visualização e gestão.
Além disso, é necessário instalar um medidor de acesso infravermelho, um detector de incêndios e um dispositivo que permite ligar e desligar os
equipamentos externos de forma remota.
Para a realização do projeto foi escolhida a tecnologia Wireless Sensor Network ( NI WSN) da National Instruments para a medição de parâmetros de
temperatura e umidade. O mesmo para os detectores de acesso, de incêndios e para os atuadores.
Para medir as vibrações da estrutura da igreja é utilizado um acelerômetro triaxial do tipo DC, da empresa PCB Piezoelectronics conectado a um sistema
de medição WIFI WLS-9163.
A localização dos sensores na nave da igreja é mostrada na Figura 1, de onde se pode ver que foram utilizados dois Gateway WSN-9791 localizados em
um pequeno cômodo anexo à igreja. Os módulos de medição são do tipo WSN-3202. A principal limitação encontrada na instalação da rede de
sensores consiste em que os módulos e os gateways não podem ficar visíveis, o que faz com que normalmente estejam localizados nos piores locais
para as comunicações via rádio.
Para solucionar esse problema, ao menos em partes, os dois gateways têm antenas externas de alto ganho (9sB) e um cabo de extensão de 1,5 m para
localizar as antenas próximas à porta de madeira no marco interno (a parede de separação, Figura 2)
Os módulos WSN-3202 possuem medidores de temperatura e umidade modelo HMP50, da empresa Vaisala, que se conectam facilmente aos mesmos e
têm um consumo bastante baixo. O programa desses dispositivos faz a leitura de temperatura e umidade a cada 10 segundos e realiza uma média de 6
leituras (1 minuto) e transmite esse valor aos gateway. Nas entradas digitais (canais 0 e 1) são enviados dados apenas se mudanças são detectadas. As
saídas digitais são ativadas por mensagens enviadas através do gateway e conectadas a relés de estado sólido externos ao nó, somente em locais
especifícos. Os módulos WSN-3202 inicialmente foram instalados sem caixa protetora, como mostra a Figura 3.
Posteriormente foram instalados em uma caixa fixa que pode ser pintada para que seja mais facilmente ocultada. Isso permite também instalar outros
tipos de antenas externas com maior ganho (4db) e um cabo de 1,5 m para colocar a antena em uma melhor localização, a fim de melhorar o sinal.
A estação metereológica utilizada é a WXT-520 da empresa Vaisala, que conecta um cabo serial ((RS-232, RS-485, RS-422, SDI-12) a um dispositivo
WIFI-Serie Digiconnect Wi-SP da empresa DIGI conectado a um ponto de acesso WiFi. O software DIGI Realport no servidor, emula a porta serial , e o
aplicativo do LabVIEW lê os dados da serial nesta estação.
A equipe usou uma estratégia similar para conectar o dispositivo WLS-9163 ( que lê os três canais do acelerômetro). Eles conectaram o WLS-9163 Wi-Fi
client no ponto de acesso, e o LabVIEW lê os canais de entradas analógicos.
Esta aplicação de gestão é um programa desenvolvido em LabVIEW 2009, com vários processos simultâneos. Um deles é a medição de dados da rede
de sensores e da estação meteorológica, outra está lendo canal acelerômetro, outra é um dump de dados para o banco de dados remoto através de uma
ligação à Internet e o último é o gerenciamento da Interface gráfica do programa. Os processos são equilibrados em diferentes CPU´s do servidor HP
ProLiant ML115 G5 (uma CPU Quadi-core Opteron). O aplicativo executável é iniciado como um serviço do Windows (Windows 2003 Server) através dos
utilitários Service Keeper e Keeper Mill, parte da interface mostrada na Figura 4 e 5.
Note-se que a rede permanece estável, apesar das condições extremas para a transmissão de informações. Todos nós relataram um sinal com mais de
20% de qualidade e tem sido observado que existem dois nós que perdem a conexão de forma intermitente, mas os dados são enviados com a
qualidade no sinal de no minimo 8%. Esta situação poderia ser resolvida com um nó de encaminhamento, mas esta solução não é possível porque esses
nós não podem ser alimentados externamente e as baterias se esgotam rapidamente.
Conclusão:
A rede de sensores NI WSN é uma solução adequada para o problema de monitoração de edifícios históricos, pois permite que os módulos de medição
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A rede de sensores NI WSN é uma solução adequada para o problema de monitoração de edifícios históricos, pois permite que os módulos de medição
se localizem de várias maneiras. É flexível e permite a conexão com uma variedade de sensores. O desenvolvimento do programa dos módulos no
LabVIEW permite adicionar funções complexas para os módulos de modo a garantir a sua sobrevivência com um gasto mínimo de energia. Por exemplo,
você pode implementar estratégias para a transmissão de dados apenas quando há alterações ou mesmo a intenção de fazer alguns cálculos. As
mensagens também podem implantar as configurações remotamente a partir do executável. Estas questões e futuras melhorias do sistema WSN da
National Instruments torna esta opção muito útil para resolver tais problemas.
Informações do autor:
Juan José Cabana González
Diseño Implementación y Optimización OPIDIS
Espanha
Planta da Igreja com a distribuição dos módulos de medição
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Localização dos Gateways e suas antenas
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Módulo de medição WSN
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Interface do usuário
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Interface do usuário
Informações legais
Esse estudo de caso (esse "estudo de caso") foi desenvolvido por um cliente da National Instruments ("NI"). ESSE ESTUDO DE CASO É FORNECIDO "COMO
ESTÁ", SEM GARANTIAS DE QUALQUER NATUREZA E SUJEITO A DETERMINADAS RESTRIÇÕES, COMO ESTABELECIDO DE FORMA MAIS ESPECÍFICA
NOS TERMOS DE USO DA NI.COM (http://ni.com/legal/termsofuse/unitedstates/us/ (http://ni.com/legal/termsofuse/unitedstates/us/)).
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