Tanto el patrimonio nacional como las obras de arte que integran madera requieren unas determinadas condiciones ambientales para garantizar su buen estado de conservación. Proyectos de investigación como SISPATINT desarrollan soluciones tecnológicas que facilitan este mantenimiento para que los edificios y las obras de arte perduren durante años.
La investigación en la que se basa el proyecto I+D SISPATINT, realizada por el Instituto Tecnológico Metalmecánico, Mueble, Madera, Embalaje y Afines (AIDIMME), comenzó en 2018 y se prevé que la tecnología que se está desarrollando esté operativa y en el mercado a finales de 2021. La Generalitat Valenciana financia este proyecto a través del programa Planes de Mejora de la Actividad y Capacidad de I+D Fondos GVA para el ejercicio 2020, impulsado por el Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial (IVACE).
El proyecto SISPATINT se enmarca en la línea estratégica de I+D de AIDIMME Biomateriales, con el objetivo de probar, configurar y mejorar el sistema PATINT, así como estudiar y analizar biomateriales. Este sistema comenzó a desarrollarse en el proyecto PATINT, finalizado en 2018, el cual se centró en el desarrollo de un sistema con mejoras significativas respecto a las herramientas actuales de monitorización preventiva y automatizada de la degradación de materiales.
Según Miguel Ángel Abián, coordinador y director técnico del proyecto, “los resultados provisionales del proyecto apuntan a que se conseguirá el objetivo de disponer de una herramienta avanzada, flexible y escalable. Con ella se logrará la conservación preventiva de estructuras y obras del patrimonio, así como de estructuras modernas y de obra nueva”.
Objetivo y evolución de SISPATINT
Siguiendo esta línea, SISPATINT aplica tecnologías actuales que han sido modificadas para proporcionar unos datos más precisos sobre las causas que producen la degradación de la madera y materiales derivados. Dentro de las tecnologías aplicadas, se emplean tecnologías TIC como protocolos, sensores, conexiones inalámbricas, algoritmos de Inteligencia Artificial, Big Data y plataformas de Smart Cities, entre otras.
Las investigaciones han avanzado en la prueba, configuración y mejora de un sensor inalámbrico de muy bajo consumo y en el desarrollo de un protocolo de comunicación para recopilar los datos del sensor. En cuanto al sensor, es el elemento clave para la monitorización de la madera de las construcciones de patrimonio existentes y de obra nueva, así como de las obras de arte.
El sensor inalámbrico trabaja en radiofrecuencia en la banda 868 MHz, aunque también funciona en las bandas de 433 MHz y 2,4 GHz y transmite paquetes de datos con 23 campos enfocados en las propiedades, parámetros y alarmas relativas al estado de la madera. Este dispositivo monitoriza las condiciones ambientales como la temperatura y la humedad, así como otros parámetros centrados en el contenido de humedad de la madera, e incluso, la presencia de agentes degradadores xilógrafos, como termitas, carcoma fina, carcoma gruesa u hongos de pudrición. Asimismo, podría detectar CO2 y CH4, gases que se emiten por las propias termitas.
Para comprobar la eficacia del prototipo del sensor en condiciones ambientales extremas, se han realizado diversas pruebas. Por ejemplo, se ha sometido el sensor a ciclos sucesivos en los que se alternaba baja temperatura (-10ºC) y alta temperatura (50ºC). Igualmente, se ha sometido a ciclos sucesivos en los que se alternaba baja humedad (20%) y alta humedad (95%).
Estas pruebas han permitido a los investigadores detectar posibles oxidaciones o fallos en los componentes electrónicos o en la placa del circuito impreso del sensor, con el fin de mejorar el prototipo. Además se han realizado pruebas de consumo energético y de estrés eléctrico. Los resultados han permitido detectar consumos innecesarios y cierto estrés de las baterías, por lo que ha vuelto a diseñarse la parte eléctrica y se ha cambiado el conversor.
Por otro lado, se ha analizado la información que proporciona el sensor referente al contenido de humedad de la madera que se genera en diferentes especies, como son el pino y el abeto, y en muestras de madera en un rango amplio de humedades comprendidas entre 10 y 50% de humedad. Los resultados obtenidos se han comparado con los procedentes de un xilohigrómetro calibrado y la correlación entre los resultados ha sido buena o muy buena en todos los casos. Para mejorar las correlaciones, los investigadores modificaron el código fuente del microprocesador del sensor.
Por último, para optimizar la detección precoz de las termitas, considerados los insectos más peligrosos para la madera, se ha probado el sensor con estos insectos, procedentes de las colonias del Laboratorio de Microbiología de AIDIMME. Para obtener unos resultados favorables, los investigadores tuvieron que ajustar los algoritmos de Inteligencia Artificial usados en el dispositivo. Una vez ajustados, la efectividad en la detección fue del 98,2-99,1%, sin falsos positivos.
Protocolo de comunicación
La información que los sensores inalámbricos envían es muy característica, ya que los datos son específicos para conocer el grado de degradación de la madera y el estado de este material en función de las condiciones ambientales. Por ello, se requería una plataforma y un protocolo de comunicación específico a esta información.
Los investigadores de AIDIMME se encuentran en pleno desarrollo de un prototipo de comunicación, basado en TCP, que permitirá transmitir y recibir los datos que recopila el sensor, incluyendo la definición exacta del formato de tramas de radiofrecuencia (datagramas).
Los datos de los sensores son recogidos por nodos receptores y se envían mediante una conexión de Internet a una base de datos en la nube o en un ordenador remoto. A estos datos se puede acceder mediante una interfaz web desde un ordenador, teléfono o tablet. De igual modo, los datos pueden ser transferidos directa o indirectamente a un nodo IoT.
Asimismo, la plataforma para visualizar, almacenar y analizar la información de los sensores inalámbricos también la está desarrollando el grupo de investigadores para adaptarse a las necesidades del proyecto. Una de las ventajas de la solución es que es abierta y flexible, por lo que permite una integración completa con diferentes protocolos estandarizados como M2M, MQTT, MQTT-S, CoAP, REST, XMPP, ModBus y KNX.
Versiones anteriores del prototipo
En una versión anterior del prototipo del sensor se llevaron a cabo pruebas en diversos inmuebles pertenecientes al patrimonio histórico español, francés y portugués, algunos de gran tamaño, durante varios años. Uno de estos inmuebles patrimoniales es un museo, donde los resultados fueron muy satisfactorios, al conseguir detectar precozmente la presencia de riesgo de la madera, tanto estructural como ornamental (marcos de cuadros, molduras).
Este sistema podrá ser utilizado por las Administraciones Públicas, museos públicos y privados, empresas y entidades de gestión y conservación del patrimonio, empresas de tratamiento de la madera, empresas de domótica y sensórica, y empresas relacionadas con Smart Cities y Smart Heritage.
El proyecto SISPATINT permitirá aumentar el uso de la madera en las construcciones en España. Mediante el sistema PATINT podrá realizarse un mantenimiento predictivo de las estructuras para una correcta conservación del patrimonio.