ES2324689A1 - Sistema inalambrico perfeccionado. - Google Patents
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Abstract
Sistema inalámbrico perfeccionado. Comprende un elemento sensor-antena que tiene la doble funcionalidad de sensor de un parámetro físico de interés y la transmisión de los parámetros medidos vía ondas electromagnéticas hasta un lector remoto; y unos medios de alternancia para poder determinar en qué momento el elemento sensor-antena actúa como sensor y cuando permuta para actuar como antena; unos subcircuitos de procesado de señales del sensor; y unos subcircuitos de antena; posibilitando que dichos subcircuitos se puedan comunicar entre ellos cuando se requiera.
Description
Sistema inalámbrico perfeccionado.
La presente solicitud de Patente de Invención
consiste conforme indica su enunciado en un "Sistema inalámbrico
perfeccionado" cuyas nuevas características de construcción,
conformación y diseño, cumplen la misión para la que
específicamente ha sido diseñado con una seguridad y eficacia
máximas, proporcionando numerosas ventajas tal y como se detallará
en la presente memoria.
Más concretamente la invención se refiere a un
sistema inalámbrico compuesto por un circuito eléctrico que
incorpora un único elemento físico con unas características
particulares que permiten que el mismo actúe simultáneamente tanto
como antena de comunicación o captación de energía, como de sensor
de un parámetro físico, y estando asociado el elemento
antena-sensor con unos medios de alternancia de su
doble función. La finalidad principal de la presente invención es
que merced a la doble capacidad de funcionamiento del elemento
físico en colaboración con los citados medios de alternancia se
consiga un sistema inalámbrico compuesto por un único elemento
físico, en vez de dos elementos: sensor y antena como en los
sistemas inalámbricos convencionales, con lo que se reduce el
número de elementos del sistema inalámbrico, y por consiguiente sus
costes de fabricación, además de mejorar también la fiabilidad del
sistema.
El sistema inalámbrico objeto de la presente
invención está destinado a aplicaciones muy diversas donde se
utilicen sistemas inalámbricos que funcionan mediante la
transmisión de ondas electromagnéticas, tales como la información
autónomamente de parámetros de funcionamiento para la
monitorización de la salud estructural (SHM), evaluación y pruebas
de sensores fijados y condiciones de mantenimiento de estructuras
como puentes, diques, carreteras, edificios, aviones o trenes.
Estos sensores proporcionan un control en tiempo real de varios
cambios estructurales como la deformación (tensión) o la
temperatura, permitiendo que podamos avanzarnos a los
acontecimientos que pueden culminar en un accidente, eliminando así
el mantenimiento innecesario, e incrementando la seguridad de las
infraestructuras civiles o los medios de transporte.
Los transductores o sensores son dispositivos
que convierten fenómenos físicos como la temperatura, carga,
presión o luz en señales eléctricas como tensión y corriente, por
ejemplo los termopares, RTDs, galgas extensiométricas, LVDTs, o
acelerómetros.
Concretamente, los sistemas de monitorización
estructural están muy extendidos especialmente para la prueba de
fuerzas vibratorias tales como cargas, viento o terremotos; y
mediante diversos sensores dispuestos en distintos puntos se captan
las variables y transmiten a un unidad central de datos. En muchos
casos, dicha transmisión de los datos de cada sensor a la unidad
central se efectúa mediante cables, que garantizan una transmisión
muy fiable pero son muy costosos de instalar.
No obstante, en esta última década los sistemas
inalámbricos han proliferado merced a sus bajos costes y consumos,
superando la tecnología del cableado de los sensores. Los sistemas
inalámbricos no son sensores per se, sino nodos de
adquisición autónomamente de datos a los cuales se les puede fijar
un sensor estructural, tal como una galga extensiométrica,
acelerómetro, etc.
Se conocen una gran variedad de plataformas de
sensores inalámbricos; una clasificación habitual los divide en
sensores pasivos y activos. Su configuración más frecuente se
compone de tres partes diferenciadas: un elemento sensor, cuya
función es la de medir la variable física, unos medios de
acondicionamiento y procesamiento de dicha medida, y un elemento de
almacenamiento o transmisor-receptor, cuya función
es la de almacenar o transmitir la información medida mediante una
memoria o una antena respectivamente a un lector remoto.
El elemento sensor o transductor es la parte más
crítica del sistema inalámbrico y transforma la variable física de
interés, tal como la presión, fuerza, flujo de aire, humedad,
temperatura, etc. en una variable eléctrica reflejo de la variable
física. En función de la variable física a medir como de la
tecnología de medida de dicha variable escogida, por ejemplo con
temperatura termopar, NTC, PTC, Pt100, etc., se determina la forma
y estructura del sensor.
El elemento transmisor-receptor
(antena) es un conductor dispuesto a captar la energía de las ondas
electromagnéticas, convirtiéndolas en corriente eléctrica con un
valor que es función de la energía captada. La antena es un
elemento pasivo reversible que puede captar o enviar ondas
electromagnéticas; cuando emite, radia en forma de onda
electromagnética la corriente y tensión variables que le llega y
que contienen la información deseada; mientras que cuando capta,
transforma en corriente y tensión las ondas electromagnéticas a su
alrededor que pueden interpretarse como datos o simplemente como
fuente de energía del ambiente.
Cabe destacar como un sistema novedoso de antena
la tecnología RFID (Radio-Frecuency
IDentification), y más concretamente las etiquetas RFID
pasivas, que ventajosamente al captar energía del ambiente están
siendo objeto de numerosos estudios. Actualmente se utilizan en
numerables aplicaciones como alternativa a los códigos de barras o
las etiquetas de infrarrojo, por ejemplo en almacenamientos de
historias médicas o registro de prótesis dentales. Una de sus
principales ventajas frente a los sistemas alternativos de lectura
de código de barras es que las ondas de radiofrecuencia son capaces
de viajar a través de la mayoría de los materiales y la velocidad
de lectura de las etiquetas es más rápida que la de un código de
barras.
Su funcionamiento se basa en un fenómeno físico
llamado modulación backscatter, que consiste en que la
etiqueta captura la energía electromagnética emitida por el lector
y la almacena en unos elementos de almacenamiento temporal
capacitivo para hacer funcionar un circuito sensor de
ultra-baja energía. Una vez los datos han sido
recogidos por el sensor, la energía almacenada en el condensador se
utiliza para modular los datos del sensor en una señal de
radiofrecuencia legible por el interrogador remoto.
Se requiere de una antena en la etiqueta y otra
en el lector, que permitan la comunicación entre ambos
elementos.
Generalmente las etiquetas de la tecnología RFID
comprenden un chip microprocesador montado sobre un sustrato
flexible PET y con una antena. Las antenas de última generación
usadas para ser acopladas en las etiquetas RFID o dispositivos
similares pueden ser fabricadas de plata, aluminio o cobre y
creadas por técnicas de deposición de material similares a lanzar a
chorro la tinta en una hoja. La cantidad de material conductivo
usado y el tamaño de la antena determina la sensibilidad de la
tarjeta. Las antenas pueden presentar configuraciones distintas
para alcanzar las prestaciones deseadas, por ejemplo diseñadas para
una aplicación concreta o para unas frecuencias de onda
determinadas. Por ejemplo, existen las antenas "squiggle" y la
antenas "wave" que tienen una aplicación general; en cambio la
antena "four-T" (del tipo dipolo dual) se usa
cuando se quiere detectar paquetes rotados en distintas
orientaciones.
Uno de los dispositivos desarrollados
recientemente que acopla las funciones de antena y sensor son las
etiquetas sensoras, que ofrecen la capacidad de monitorizar, medir
y registrar variadas condiciones ambientales. Se trata de
empaquetar conjuntamente un dispositivo sensor con una etiqueta
RFID, que permite que dicha etiqueta reaccione ante cualquier
condición a monitorizar por el sensor y la registre.
Más específicamente, existe en el mercado un
tipo de etiquetas sensoras formadas por una etiqueta RFID activa,
que requiere de una batería para su funcionamiento, con la
previsión de sensores, elementos mecánicos, o actuadores acoplados
en un sustrato de silicio, que tiene una doble funcionalidad:
eléctrica y mecánica o hidráulica, y son conocidos con el nombre de
MicroElectroMechanical Sensors (MEMS).
Por otra parte, la patente USA nº 6260415
describe y reivindica la incorporación de uno o más sensores de
superficie fabricados de material piezoeléctrico incrustados en un
sustrato fabricado de un compuesto de fibra y dotado cada sensor de
una antena que permite el envío y recepción inalámbricamente de la
información medida por cada sensor. La patente USA nº 2005/0062364
describe un sensor inalámbrico tipo SAW aplicado a un objeto
mediante adhesivo con dos reflectores para determinar y compensar
la temperatura.
Sin embargo, no existe en el Estado de la
Técnica ningún sistema inalámbrico que incorpore un mismo elemento
físico formado por un hilo conductor dispuesto según una
configuración determinada sobre una hoja de soporte que actúe a la
vez de sensor y de antena.
La presente invención tiene por objeto diseñar
un sistema inalámbrico perfeccionado más económico de
fabricar.
Otra finalidad de la invención es diseñar un
sistema inalámbrico más compacto y, por lo tanto más robusto cuando
se encuentra instalado en ambientes "agresivos", por ejemplo
en el interior de una estructura de hormigón.
Y otra finalidad de la invención es diseñar un
sistema inalámbrico más fiable.
El sistema inalámbrico perfeccionado comprende
los siguientes componentes:
- un elemento sensor-antena que
tiene la doble funcionalidad de sensor de un parámetro físico y la
captación de energía y transmisión de los parámetros medidos vía
ondas electromagnéticas hasta un lector remoto; y
- unos medios de alternancia para poder
determinar en qué momento el elemento sensor-antena
actúa como sensor y cuando permuta para actuar como antena;
- unos medios de procesado de señales del
sensor; y
- unos medios de circuitería de antena.
El parámetro físico que mide el elemento
sensor-antena puede ser: la deformación a las que
está sometido, la velocidad, aceleración, temperatura, luz, sonido,
cantidad, contacto, o cualquier parámetro físico de interés
susceptible de convertirse en variable eléctrica.
Las distintas frecuencias de ondas
electromagnéticas generadas por el elemento
sensor-antena dependiendo de la aplicación concreta
pueden ser: ondas de baja frecuencia (LF), ondas de alta frecuencia
(HF), muy elevada (VHF), ultraelevada (UHF), o Microondas.
El elemento sensor-antena que
tiene la doble funcionalidad de sensor y transmisión de los
parámetros medidos puede ser un sensor de deformación, tal como una
galga extensiométrica, capaz de transmitir o captar señales del
exterior, es decir que funcione como una antena. Otra opción es la
inversa, es decir que una antena de radiofrecuencia funcione como
sensor de deformación.
Merced a dicha doble funcionalidad del elemento
sensor-antena, debe separarse su actuación mediante
dos interruptores para permitir el desacople de uno o dos
circuitos: el subcircuito procesador de la señal del sensor y el
subcircuito de antena, posibilitando que dichos subcircuitos se
puedan comunicar entre ellos cuando se requiera.
Una de las realizaciones posibles del circuito
objeto de la presente invención es un elemento sensor/antena
conectado en paralelo con un interruptor RF y con un interruptor
DC, estando conectado en serie el interruptor de RF con un
subcircuito procesador de señal del sensor y estando conectado en
serie el interruptor DC con un subcircuito de señal de antena, y
finalmente estando conectados los dos subcircuitos entre ellos y
también con el elemento antena-
sensor.
sensor.
De acuerdo con dicha realización de la
invención, el funcionamiento del circuito preconizado empieza por
la incidencia de una energía exterior sobre el elemento
sensor-antena o alternativamente de una batería
interior, que convierte dicha energía en una forma que permita el
funcionamiento del subcircuito sensor (registro de la variable
física en una primera fase), a continuación comunique este dato al
subcircuito procesador que lo interpreta (segunda fase) y que éste
lo entregue a la antena para su transmisión. Durante la primera
fase el interruptor RF permanece abierto, mientras que el
interruptor DC está cerrado. En la segunda fase dicha información
procesada es conducida al subcircuito de antena, el cual la adecua
para que sea una información apta para ser enviada inalámbricamente
y la envía nuevamente al elemento sensor-antena.
Una vez la señal procesada está en el elemento
sensor-antena, se emite hacia un lector. En esta
segunda fase los interruptores se conmutan.
El elemento sensor-antena actúa
siempre tanto de sensor como de antena y son los subcircuitos
correspondientes que procesan e interpretan la señal según contenga
una información del sensor (DC) o bien una información para la
transmisión de radiofrecuencia (RF). Por lo tanto, coexisten ambas
formas y la electrónica es la encargada de desmultiplexarlas en
función del contenido frecuencial.
El interruptor RF preferentemente está formado
por un elemento inductivo, mientras que el interruptor DC está
formado por un elemento capacitivo. Sin embargo, se pueden
incorporar otros elementos que ejerzan de interruptores
conmutados.
Puesto que una característica intrínseca de un
condensador es que permite el paso de la corriente alterna a través
del mismo, es por ello que la corriente alterna provinente del
subcircuito de antena llega al elemento
sensor-antena funcionando como antena.
En cambio, en el caso de la bobina, puesto que
una característica intrínseca es que permite el paso de la
corriente continua a través de la misma, es por ello que la
corriente continua provinente de la unidad de procesamiento va y
viene al elemento sensor-antena funcionando como
sensor, alimentando dicho elemento
sensor-antena.
El elemento sensor-antena está
formado según una primera realización por un hilo conductor de
plata, aluminio, cobre u otro material similar, dispuesto
siguiendo una configuración determinada sobre una lámina de apoyo,
de manera que pueda generar o absorber un campo electromagnético en
función de la energía eléctrica conducida a través del hilo, y a la
vez que dicho hilo conductor actúe de sensor de una parámetro
físico, utilizando la variación de la resistencia eléctrica del
hilo conductor para medir las deformaciones axiales del hilo.
El elemento sensor-antena está
formado según una segunda realización por como mínimo una red de
cable muy fino fabricado de material conductor o piezoeléctrico y
extendiéndose de cada uno de los extremos un elemento metálico y
aplicada dicha red sobre una lámina de apoyo. Dicho elemento varía
la resistencia eléctrica ente los dos elementos metálicos extremos
dependiendo de la carga aplicada, permitiendo la configuración del
cable que a la vez actúe de antena. Los materiales del cable podrán
ser aleaciones de cobre y níquel,
platino, silicio u otras.
La forma geométrica que sigue el hilo conductor
sobre la lámina de soporte puede ser cualquiera que permita el
funcionamiento como sensor y antena a la vez.
El subcircuito procesador de señal del sensor
comprende preferentemente digitalizadores o conversores analógicos
digitales (ADC), microcontroladores o procesadores digitales de
señales (DSP), y/o otros dispositivos electrónicos capaces de
procesar señales, siendo la función de los componentes de dicho
subcircuito adquirir y adecuar ciertos niveles de los datos
provenientes del sensor, el tratar matemáticamente éstos y
posteriormente enviarlos al subcircuito de antena.
El subcircuito de antena que se conecta al
sensor-antena comprende preferentemente
mezcladores, sistemas de amplificación de señal de potencia,
adaptaciones de impedancias a las frecuencias de emisión/recepción
de interés, y/o otros dispositivos similares, siendo la función de
los componentes de dicho subcircuito el acondicionar la señal a
enviar al elemento sensor-antena en modo antena
para que dicho elemento emita la información.
Opcionalmente en el subcircuito de antena
también se pueden incluir elementos electrónicos para que la antena
funcione como receptor de información o energía.
En una posible realización, el subcircuito
procesador de señal del sensor comprende un generador de corriente
serie conocida (I) y un voltímetro (V) que mide una tensión. Estos
dos datos ((V) y (I)) se digitalizan, por ejemplo en un conversor
ADC, para después pasar por un microcontrolador, un microprocesador
o un DSP, que gestiona y almacena o transmite las señales hacia el
subcircuito de antena.
Alternativamente la primera etapa de generación
de las señales (V) y (I) se puede sustituir por un oscilador
preferentemente senoidal que excita a un ¾ de puente, por ejemplo
un puente de Wheatstone, y al elemento
sensor-antena, y seguidamente un amplificador de
instrumentación.
Alternativamente, la primera etapa de generación
de las señales (V) y (I) se puede sustituir por una interfaz
digital directa (que comprende medidas temporales con el
microprocesador y una red de compensación).
Una realización preferente del subcircuito de
antena está formado por dos ramas de circuito separadas entre sí
por un elemento conmutador que conmuta dependiendo si el elemento
sensor-antena actuando como antena recibe o radia
señales electromagnéticas, siendo preferentemente dicho conmutador
un acoplador direccional o un multiplexor (actúa como un
interruptor de posiciones múltiples controlado digitalmente). La
rama superior se encarga de adecuar las ondas electromagnéticas a
señales que se puedan procesar y está formada por un amplificador
de RF de bajo ruido, uno o más mezcladores, adaptadores, oscilador
local, un amplificador de frecuencia intermedia (IF) y un detector
que trasmite los datos a un microcontrolador para su
interpretación. La rama inferior se encarga de adecuar las señales
provinentes del microcontrolador a señales eléctricas que puedan
generar a través del elemento sensor- antena ondas electromagnéticas
equivalentes. Dicha rama inferior está formada por un codificador
que codifica los datos ((V) y (I)) provinentes del microcontrolador
en otros parámetros distintos equivalentes, un conversor de señal
digital a analógica, seguidamente un amplificador de frecuencia
intermedia (IF), uno o más mezcladores, adaptadores, oscilador
local, etc., que proporcionan una señal lista para radiarse en el
margen frecuencial adecuado, y un amplificador de potencia de
RF.
Alternativamente los microcontroladores puede
ser un procesador digital de señales (DSP); y el circuito de
antena puede contener otros elementos de cálculo más complejos no
mencionados.
Según el subcircuito de antena detallado
anteriormente, cuando el elemento sensor-antena
recibe las señales provinentes de un dispositivo remoto, el
conmutador cierra la rama superior y a la vez interrumpe la rama
inferior, de modo que la señal atraviesa dicha rama superior hasta
llegar al microcontrolador para ser almacenada. Contrariamente,
cuando el elemento sensor-antena emite las señales
provinentes del microcontrolador, el conmutador cierra la rama
inferior e interrumpe la rama superior, de modo que la señal
atraviesa dicha rama inferior hasta llegar al elemento
sensor-antena.
Una aplicación particular exitosa del sistema
inalámbrico preconizado es el control de tensiones de una dovela en
la operación de consolidación de un túnel. En la consolidación de
túneles mediante dovelas aparecen compresiones no uniformes en el
perímetro de una sección anular del túnel posiblemente debidas a la
estratificación del terreno. Además, entre el túnel excavado y el
extradós de alguna dovela pueden aparecer zonas de huecos o oquedad
que aumentan la disparidad de compresión. No existe ningún
procedimiento normalizado o fiable que mida las tensiones en el
extradós de forma razonable; en muchos casos, se trabaja con
márgenes de seguridad amplios y con análisis a priori de las
características del terreno.
La forma clásica de medida de tensiones en
estructuras son los sensores realizados mediante galgas
extensiométricos, por ejemplo, en alas de avión para pruebas de
esfuerzo. Esta forma clásica, resulta inviable en los túneles con
dovelas por el cableado a que daría lugar. Las nuevas tendencias de
conexión inalámbrica tampoco son eficaces debido a la agresividad
del medio: las galgas deben colocarse antes del fraguado de la
dovela: sensor, procesador de señal, emisor y antena se encuentran
en medio del hormigón con áridos muy diversos en que cualquier
árido o golpe en vibración puede seccionar cada una de las
conexiones que conforman el sistema de medida, con la consiguiente
ruptura del sistema inalámbrico.
La presente invención compacta el elemento
sensor y la antena en un único elemento y reduce el número de
conexiones al 50% respecto al sistema actual, por lo tanto tiene
más posibilidades de supervivencia y éxito a la medida de presiones
en un ambiente tan agresivo cómo el de una dovela en un túnel.
Otros detalles y características se irán
poniendo de manifiesto en el transcurso de la descripción que a
continuación se da, en las que se hace referencia a las figuras que
a esta memoria se acompañan, en la que se muestra a título
ilustrativo pero no limitativo, una forma de realización de la
invención, sin que la misma sea la única posible.
Sigue a continuación una lista numerada de las
diferentes partes que participan en el sistema inalámbrico
perfeccionado objeto de la presente invención, y que puede verse en
la figura que se acompaña a la memoria:
- - (10)
- sistema inalámbrico,
- - (11)
- elemento sensor-antena,
- - (12)
- elemento capacitivo,
- - (13)
- elemento inductivo,
- - (14)
- subcircuito procesador de las señales del elemento sensor-antena (11) cuando funciona como sensor,
- - (15)
- subcircuito acondicionador de las señales del elemento sensor-antena (11) cuando funciona como antena,
- - (16)
- fuente de energía o parámetro físico,
- - (17)
- ondas electromagnéticas,
- - (18)
- hilo conductor,
- - (19)
- lámina de apoyo,
- - (20)
- lector remoto,
- - (21)
- oscilador,
- - (22)
- ¾ de puente,
- - (23)
- amplificador diferencial o de instrumentación,
- - (24)
- conversor analógico/digital,
- - (24')
- conversor digital/analógico,
- - (25-25')
- microcontrolador,
- - (26)
- elementos de compensación,
- - (27)
- conmutador o acoplador direccional,
- - (28)
- amplificador de RF de bajo ruido,
- - (29-29')
- mezclador,
- - (30-30')
- oscilador local,
- - (31-31')
- amplificador de frecuencia intermedia,
- - (32)
- detector,
- - (33)
- codificador,
- - (34)
- amplificador de potencia de RF,
- - (35)
- túnel,
- - (36)
- dovelas,
- - (37)
- áridos, y
- - (38)
- zona de oquedad.
La figura nº 1 es una vista esquemática en forma
de diagrama de bloques, donde se muestran la interrelación de los
elementos que configuran el sistema inalámbrico (10) objeto de la
presente invención.
Las figuras nº 2a y 2b son vistas esquemáticas
en forma de diagrama de bloques, donde se muestran dos
realizaciones posibles de los elementos que componen el subcircuito
procesador de señal del sensor (14).
La figura nº 3 es una vista esquemática en forma
de diagrama de bloques, donde se muestran una posible realización
de los elementos que componen el subcircuito acondicionador de
antena (15), donde la rama superior ejerce de parte receptora y la
rama inferior de parte emisora de la información/energía.
La figura nº 4 es una vista esquemática de la
aplicación particular del sistema inalámbrico preconizado en el
control de tensiones de una dovela en la operación de construcción
y mantenimiento de un túnel.
Tal y como se puede observar en la figura nº 1,
el sistema inalámbrico (10) está formado por un elemento
sensor-antena (11) unido eléctricamente y
paralelamente a una bobina (13) y a un condensador (12), estando
conectado en serie la bobina (13) a un subcircuito procesador de
las señales del elemento sensor-antena cuando
funciona como sensor (14) y estando conectado en serie el
condensador (12) a un subcircuito acondicionador de las señales del
elemento sensor-antena (11) cuando funciona como
antena (15). Por otro lado, los citados subcircuitos (14) y (15)
están conectados entre sí, pudiendo la información ser transmitida
en ambos sentidos.
En referencia a la figura nº 1, el elemento
sensor-antena (11) está formado por una geometría
de hilo conductor (18) dispuesta por cualquier medio a una lámina
soporte (19).
El flujo de las señales es normalmente en el
sentido indicado con una flecha, captándose la energía (16) o el
parámetro físico por el elemento sensor-antena (11)
actuando en modo sensor que la convierte en corriente eléctrica que
es conducida hasta el subcircuito procesador de señal (14) merced a
que la bobina (13) permite el paso de la corriente en esta rama. La
unidad de procesamiento (14) es la encargada de registrar y
gestionar las señales eléctricas provinentes del sensor, y está
conectado al subcircuito de antena (15) que es la encargada de
adecuar las señales eléctricas guardadas en la unidad de
procesamiento (14) para poder ser emitidas en forma de ondas
electromagnéticas (17) por el elemento sensor-antena
(11) actuando en modo antena hasta un lector remoto (20).
En referencia a la figura nº 2a, el subcircuito
procesador de señal del sensor (14) está formado esencialmente por
un ¾ de puente (22) conectado a la bobina (13) y excitado por un
oscilador (21) que genera una tensión eléctrica que se reparte en
las ramas del puente, formado por (11) y (22), que la variable
física de interés desequilibra dicho puente y dicho desequilibrio
se amplifica por un amplificador de instrumentación (23), que está
conectado por la entrada al citado puente (22) y (11). Seguidamente
dichas señales amplificadas se digitalizan mediante un conversor
ADC (24) que está conectado a un microcontrolador (25) que trata
matemáticamente y posteriormente almacena dichas señales digitales
o bien las transmite al subcircuito de antena.
En referencia a la figura nº 2b, el subcircuito
procesador de señal del sensor (14) está formado esencialmente por
un elemento de interfaz digital directa (26) conectado a la bobina
(13) y que integra todos los procesos de compensación de las
señales modificadas por el elemento sensor-antena
(11) y las adecua a señales digitales temporales que gestiona el
microcontrolador (25).
En referencia a la figura nº 3, el subcircuito
acondicionador de antena (15) está formado esencialmente por dos
ramas conmutadas por medio de un conmutador o un acoplador
direccional (27), siendo la rama superior opcional y encargada de
captar la información/energía del exterior y la rama inferior
encargada de emitir la información/energía al exterior, tal y como
se indica a través de las flechas (los bloques microcontroladores
(25) y (25') pueden ser uno solo). Es decir que según la
aplicación concreta del sistema inalámbrico puede interesar que el
sensor-antena (11) sólo trabaje como sensor y antena
receptora, o bien como sensor y antena receptora/emisora.
La rama superior está formada por un
amplificador de RF de bajo ruido (28) conectado a un mezclador
(29), conectado dicho mezclador (29) a un oscilador local (30) y a
un amplificador de frecuencia intermedia (31), conectado dicho
amplificador (31) a un detector (32) y éste a un microcontrolador
(25'). La rama inferior está formada por un codificador (33) que
codifica las señales digitales provinentes del microcontrolador
(25') transformándolos en otros parámetros distintos equivalentes,
conectado dicho codificador (33) a un conversor de señal digital a
analógica (24'), conectado dicho conversor (24') a un amplificador
de frecuencia intermedia (31'), conectado dicho amplificador (31')
y un oscilador local (30') a un mezclador (29') éste finalmente a
un amplificador de potencia de RF (34).
En la figura nº 4 se ilustra una aplicación
particular del sistema inalámbrico preconizado en el control de
tensiones de una dovela (36) en la operación de construcción y
mantenimiento de un túnel (35) para poder detectar posibles zonas
de oquedad (38) o cambios en el terreno. En la misma se aprecia
como los sistemas inalámbricos (10) objeto de la presente invención
están incrustados en las propias dovelas (36) y la probabilidad de
ruptura de los mismos por los áridos (37) se reduce
notoriamente.
De acuerdo con la presente invención, se
consigue reducir el número de elementos integrantes del sistema
inalámbrico en una pieza, con la consiguiente reducción de costes,
así como un sistema más compacto, robusto, fiable y manejable. Por
último, merced a que se reduce el número de piezas y las
interconexiones entre el sensor y la antena el sistema inalámbrico
ofrecerá un grado mayor de fiabilidad.
Descrita suficientemente la presente invención
en correspondencia con la figura adjunta se comprenderá que el
objeto de la invención no queda constreñido a la misma y que la
descripción tiene un carácter enunciativo e ilustrativo de la
invención pero no limitativo de la misma, siempre y cuando se
ajuste a las siguientes reivindicaciones.
Claims (13)
1. Sistema inalámbrico perfeccionado de los que
están compuestos principalmente por un elemento sensor que mide un
parámetro físico, unos medios de procesamiento y condicionamiento
de la señal transmitida por el sensor y una antena para
emitir/recibir vía ondas electromagnéticas la señal eléctrica a un
lector situado a una cierta distancia, caracterizado por
comprender:
- un elemento sensor-antena (11)
formado por un hilo o cable conductor (18) dispuesto siguiendo una
configuración determinada sobre una lámina de apoyo (19) que tiene
la doble funcionalidad de sensor de un parámetro físico (16) y
transmisión (emitir y recibir) de dichas medidas vía ondas
electromagnéticas generadas a raíz de la particular configuración
del citado hilo conductor (18) hasta un lector remoto (20);
- unos medios de alternancia para poder
determinar en qué momento el elemento sensor-antena
(11) actúa como sensor y cuando permuta para actuar como
antena;
- unos medios de procesamiento de las señales
provinentes del sensor (14) para adquirir y adecuar ciertos niveles
de los datos provenientes del sensor, el tratar matemáticamente
éstos y posteriormente enviarlos al subcircuito de antena (15);
y
- unos medios de acondicionador de las señales
que se transmiten a la antena (15) para acondicionar la señal a
enviar al elemento sensor-antena (11).
2. Sistema inalámbrico perfeccionado según la
primera reivindicación, caracterizado en que el hilo o cable
conductor (18) del elemento sensor-antena (11) está
fabricado de plata, aluminio, cobre, níquel, platino,
silicio u otros materiales conductores, semiconductores o
piezoeléctricos siguiendo una configuración cualquiera.
3. Sistema inalámbrico perfeccionado según la
primera reivindicación, caracterizado en que el parámetro
físico (16) que mide el elemento sensor-antena (11)
puede ser: la deformación a las que está sometido, la velocidad,
aceleración, temperatura, luz, sonido, cantidad, contacto, o
cualquier parámetro físico de interés susceptible de convertirse en
variable eléctrica.
4. Sistema inalámbrico perfeccionado según la
primera reivindicación, caracterizado en que los medios de
alternancia para poder permutar la actuación del elemento
sensor-antena (11) son dos interruptores para
permitir el desacople de los dos circuitos procesadores: el
subcircuito procesador de las señales del sensor (14) y el
subcircuito acondicionador de las señales de antena (15).
5. Sistema inalámbrico perfeccionado según la
primera reivindicación, caracterizado en que los medios de
procesamiento de las señales provinentes del sensor (14) comprenden
un circuito constituido por digitalizadores o conversores analógico
digitales (ADC), microcontroladores o procesadores digitales de
señales (DSP) o cualquier otro dispositivo electrónico capaz de
procesar señales.
6. Sistema inalámbrico perfeccionado según la
primera y quinta reivindicaciones, caracterizado en que los
medios de procesamiento de las señales provinentes del sensor (14)
comprenden un circuito formado por un 3 de puente (22), que junto
con el elemento sensor-antena (11) y la bobina (13)
conforman el puente completo, estando excitado dicho puente por un
oscilador (21), que la señal eléctrica producida por el
desequilibrio en el puente debido al parámetro físico de interés es
amplificada por un amplificador (23), y conectado a la salida a un
conversor analógico-digital (24) que a su vez está
conectado a un microcontrolador (25) que procesa y almacena dichas
señales digitales o bien las transmite al subcircuito de antena
(15).
7. Sistema inalámbrico perfeccionado según la
primera y quinta reivindicaciones, caracterizado en que los
medios de procesamiento de las señales provinentes del sensor (14)
comprenden un circuito formado por una interfaz digital directa
(26) conectada a la bobina (13) y conectada también dicha interfaz
(26) a un microcontrolador (25), ambos elementos (26) y (25)
integran los procesos de compensación de las señales modificadas
por el elemento sensor-antena (11).
8. Sistema inalámbrico perfeccionado según la
primera reivindicación, caracterizado en que los medios de
procesamiento de señales que se transmiten a la antena (15)
comprenden un circuito constituido por mezcladores, sistemas de
amplificación de señal de potencia, adaptaciones a las frecuencias
de emisión/recepción de interés, y/o otros sistemas similares.
9. Sistema inalámbrico perfeccionado según la
primera y octava reivindicaciones, caracterizado en que los
medios de procesamiento de señales que se transmiten hacia el
elemento sensor-antena (15) para que el mismo
funcione como antena emisora comprenden un circuito formado por un
codificador (33) que codifica las señales digitales provinentes del
microcontrolador (25) transformándolos en otros parámetros
distintos equivalentes, conectado dicho codificador (33) a un
conversor de señal digital-analógica (24'),
conectado dicho conversor (24') a un amplificador de frecuencia
intermedia (31'), conectado dicho amplificador (31') a otro
mezclador (29') con el oscilador local (30') cuya salida del citado
mezclador (29') entra a un amplificador de potencia de RF (34).
10. Sistema inalámbrico perfeccionado según la
primera y octava reivindicaciones, caracterizado en que los
medios de procesamiento de señales de antena (15) pueden
adicionalmente transmitir la información/energía del elemento
sensor-antena (11) cuando dicho elemento (11)
funciona como antena receptora, comprendiendo dichos medios de
procesamiento de señales de antena (15) un circuito formado por dos
ramas conmutadas por medio de un conmutador o un acoplador
direccional (27): la rama superior está formada por un amplificador
de RF de bajo ruido (28) conectado a un mezclador (29) que mezcla
la señal provinente del amplificador (28) con la de un oscilador
local (30), y que la suministra a un amplificador de frecuencia
intermedia (31), conectado dicho amplificador (31) a un detector
(32) que trasmite los datos a un microcontrolador (25'); y la rama
inferior está formada por un codificador (33) que codifica las
señales digitales provinentes del microcontrolador (25)
transformándolos en otros parámetros distintos equivalentes,
conectado dicho codificador (33) a un conversor de señal digital a
analógica (24), conectado dicho conversor
digital-analógico (24) a un amplificador de
frecuencia intermedia (31'), conectado dicho amplificador (31') a
un mezclador (29') con el oscilador local (30') cuya salida del
mezclador (29') entra a un amplificador de potencia de RF (34).
11. Sistema inalámbrico perfeccionado según la
primera y octava reivindicaciones, caracterizado en que los
medios de procesamiento de señales de antena (15) pueden
adicionalmente reconducir la energía captada por el elemento
sensor-antena (11) para dar energía al sistema en su
cometido. Esta energía puede provenir del ambiente (energy
harvesting) o ser emitida a propósito (16).
12. Sistema inalámbrico perfeccionado según la
primera reivindicación, caracterizado en que el elemento
sensor-antena (11) está conectado en paralelo con un
interruptor RF y con un interruptor DC, estando conectado en serie
el interruptor de RF con el subcircuito procesador de señal del
sensor (14) y estando conectado en serie el interruptor DC con el
subcircuito acondicionador de antena (15), y finalmente estando
conectados ambos subcircuitos entre ellos y también con el elemento
antena-sensor (11), de modo el elemento
sensor-antena (11) actuando como sensor detecta el
parámetro físico de interés y lo convierte en una variable
eléctrica que es transmitida al procesador de señales del sensor
(14) que la adecua y registra, estando en esta primera fase el
interruptor RF abierto y el interruptor DC cerrado; seguidamente
dicha información procesada es conducida al subcircuito de antena
(15), el cual la adecua para que sea una información apta para ser
enviada inalámbricamente y la envía nuevamente al elemento
sensor-antena (11), que emite la señal vía ondas
electromagnéticas (17) hacia un lector remoto (20), estando en esta
segunda fase los interruptores conmutados respecto el estado
anterior.
13. Sistema inalámbrico perfeccionado según la
primera y séptima reivindicaciones, caracterizado en que el
interruptor RF preferentemente está formado por un elemento
inductivo (13), mientras que el interruptor DC está formado por un
elemento capacitivo (12), de modo que cuando el citado elemento
inductivo (13) deja pasar la corriente el citado elemento
capacitivo (12) impide el paso de la corriente, y viceversa.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200602413A ES2324689B1 (es) | 2006-09-20 | 2006-09-20 | Sistema inalambrico perfeccionado. |
| PCT/ES2007/000529 WO2008034926A1 (es) | 2006-09-20 | 2007-09-19 | Sistema inalámbrico perfeccionado |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200602413A ES2324689B1 (es) | 2006-09-20 | 2006-09-20 | Sistema inalambrico perfeccionado. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2324689A1 true ES2324689A1 (es) | 2009-08-12 |
| ES2324689B1 ES2324689B1 (es) | 2010-05-25 |
Family
ID=39200208
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES200602413A Active ES2324689B1 (es) | 2006-09-20 | 2006-09-20 | Sistema inalambrico perfeccionado. |
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|---|---|
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| WO (1) | WO2008034926A1 (es) |
Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
| US20050204825A1 (en) * | 2004-03-17 | 2005-09-22 | Kunerth Dennis C | Wireless sensor systems and method, and methods of monitoring structures |
-
2006
- 2006-09-20 ES ES200602413A patent/ES2324689B1/es active Active
-
2007
- 2007-09-19 WO PCT/ES2007/000529 patent/WO2008034926A1/es active Application Filing
Patent Citations (1)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2008034926A1 (es) | 2008-03-27 |
| ES2324689B1 (es) | 2010-05-25 |
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