Estaci
´
on de Sensado para Emisiones de Campo
Magn
´
etico a Frecuencias Extremadamente Bajas y
su Aplicaci
´
on en la Predicci
´
on de Sismos
Sensing station for magnetic field emissions at extremely low frequencies and their application in the
prediction of earthquakes
L. M. Carducci
†1
, R. Alonso
†2
and W. G. Fano
†3
†
Universidad de Buenos Aires, Facultad de Ingenier
´
ıa,
Laboratorio de radiaci
´
on electromagn
´
etica - Laboratorio de procesamiento de se
˜
nales y comunicaciones
Paseo Col
´
on 850. (1063) Buenos Aires. Argentina
1
lcarducci@fi.uba.ar
2
ralonso@fi.uba.ar
4
gustavo.fano@ieee.org
Abstract—There are evidences in different parts of the
world that suggest a relationship between certain types of
magnetic phenomena at extremely low frequencies and the
occurrence of a seismic event. To study these anomalies, it
is essential to resort to more experimental evidence. Based
on this motivation, this paper describes the implementation
of a sensing station to record magnetic field emissions in the
TLF-ELF bands, thus contributing to the study of its possible
role as seismic precursors. The system also contemplates
the sensing of some conventional precursors and other
environmental parameters.
Keywords: earthquakes, seismic precursors, sensing station,
magnetic field emissions, TLF, ELF.
Resumen— Existen evidencias en diferentes partes
del mundo que sugieren una relaci
´
on entre cierto tipo de
fen
´
omenos magn
´
eticos a frecuencias extremadamente bajas
y la ocurrencia de un evento s
´
ısmico. Para estudiar estas
anomal
´
ıas resulta esencial recurrir a una mayor evidencia
experimental. Sobre la base de esta motivaci
´
on, en el presente
trabajo se describe la implementaci
´
on de una estaci
´
on de
sensado para registrar emisiones de campo magn
´
etico en las
bandas TLF-ELF, contribuyendo as
´
ı al estudio de su posible
rol como precursores s
´
ısmicos. El sistema tambi
´
en contempla
el sensado de algunos precursores convencionales y de otros
par
´
ametros ambientales.
Palabras clave: terremotos, precursores s
´
ısmicos, estaci
´
on de
sensado, emisiones de campo magn
´
etico, TLF, ELF.
I. INTRODUCCI
´
ON
La mejora de pron
´
osticos y alertas sobre fen
´
omenos
de naturaleza s
´
ısmica son fundamentales para salvar vidas
humanas frente terremotos de gran escala. Es por ello que los
diferentes sistemas de monitoreo para la detecci
´
on de sismos
juegan un rol fundamental en el estudio y anticipaci
´
on de es-
tos cataclismos. Se sabe que el primer sism
´
ografo registrado
se remonta al siglo II d.C., creado por el fil
´
osofo chino
Chang Heng [1]. Siglos m
´
as tarde se desarrollar
´
ıan nuevos
tipos de sism
´
ografos y complejos sistemas de medici
´
on para
establecer dichos pron
´
osticos de manera m
´
as precisa. Los
sism
´
ografos son esencialmente instrumentos que miden de-
terminadas magnitudes f
´
ısicas que guardan cierta correlaci
´
on
con eventos de origen s
´
ısmico. A los fen
´
omenos f
´
ısicos
sensados con este prop
´
osito se los conoce como precursores
s
´
ısmicos. Algunos ejemplos de precursores s
´
ısmicos conven-
cionales son: comportamiento de los animales, vibraciones
de peque
˜
na magnitud, emisi
´
on de gas rad
´
on, resistividad de
las rocas, elevaci
´
on del suelo, propagaci
´
on de ondas P, etc.
Sin embargo, se han desarrollado algunas hip
´
otesis sobre
cierto tipo de emisiones electromagn
´
eticas que podr
´
ıan em-
plearse tambi
´
en como precursores [2]. En en diversas zonas
con potencial actividad s
´
ısmica se han reportado fen
´
omenos
electromagn
´
eticos inexplicables detectados minutos, horas
o incluso d
´
ıas antes de producirse el terremoto [2]. Estas
anomal
´
ıas se han manifestado, por ejemplo, como est
´
atica
producida en radios, encendido de tubos fluorescentes, al-
teraciones en la imagen de televisores de rayos cat
´
odicos,
br
´
ujulas desorientadas, etc. [2] [3]. Algunas hip
´
otesis su-
gieren vincular estos fen
´
omenos con la trituraci
´
on de rocas
cristalinas [4] [5], ya que podr
´
ıa considerarse cierto tipo
de efecto piezoel
´
ectrico generado por el desplazamiento o
intensas presiones entre las rocas, principalmente aquellas
con altos contenidos de cuarzo.
En esta l
´
ınea de investigaci
´
on muchos de los trabajos
publicados presentan particular inter
´
es en mediciones que
abarcan los rangos de frecuencias TLF (Tremendously Low
Frequency), ELF (Extremely Low Frequency) y ULF (Ultra
Low Frequency), ya que a frecuencias mayores la profun-
didad de penetraci
´
on disminuye y eso dificulta la medici
´
on
debido a que existe gran atenuaci
´
on. Pueden mencionarse
trabajos como los publicados por Karakelian, quien efectu
´
o
mediciones de campo magn
´
etico en las frecuencias de ULF
[6]. Hata y Yabashi [7], en la ciudad de Ito, Shizuoka, y en
Monte Fugen, Nagasaki, (1992), han detectado se
˜
nales de
campo magn
´
etico en la banda de frecuencias ELF antes y
despu
´
es de un terremoto. Otra experiencia fue la de Bleier
[8], que mediante dos sensores de campo magn
´
etico en la
banda de ULF separados por 20 km entre s
´
ı, logr
´
o detectar
en Loma Prieta (1989) una frecuencia de 0,01 Hz, con
una intensidad pico de campo magn
´
etico de 3 nT. Otras
Revista elektron, Vol. 2, No. 2, pp. 101-106 (2018)
ISSN 2525-0159
101
Recibido: 14/09/18; Aceptado: 01/11/18
emisiones an
´
omalas, en la banda de ULF, se han detectado
en el terremoto de Spitak, Armenia (1988) de acuerdo a
Molchanov y Kopytenko. Tambi
´
en durante el terremoto de
Guam (1993), seg
´
un Hayakawa.
Teniendo en cuenta que en general la cantidad de datos
registrados es escasa, resulta de gran inter
´
es obtener medi-
ciones que puedan aportar mayor informaci
´
on experimental
y contribuir de esta manera con el estudio de nuevas formas
de precursores. A partir de esta motivaci
´
on, en este trabajo se
describen los elementos principales de una estaci
´
on de sen-
sado desarrollada en la Facultad de Ingenier
´
ıa de la Univer-
sidad de Buenos Aires (FIUBA), cuyo prop
´
osito es detectar
variaciones de campo magn
´
etico a muy bajas frecuencias
e intensidades. Se especifica un rango de frecuencias de
inter
´
es de 0,01-30 Hz tomando como referencia los trabajos
realizados en [6] [7] [8], entre otros, considerando adem
´
as
que siendo un prototipo de bajo costo el rango de trabajo
resulta apropiado para un primer estudio del cual se podr
´
a
extraer valiosa experiencia.
II. DESCRIPCI
´
ON DE LA ESTACI
´
ON DE SENSADO
El sistema de monitoreo presentado en este trabajo posee
la capacidad de sensar y registrar las distintas variables
de inter
´
es de manera continua. El mismo contempla el
manejo de diferentes tipos de sensores, eficiencia en el
consumo de energ
´
ıa para una mayor autonom
´
ıa, almace-
namiento de los datos y complementariamente un sistema
de comunicaciones que permita conocer el estado de sistema
de forma remota. Asimismo, este prototipo se destaca por
ser una plataforma de bajo costo, con tasas de muestreo
apropiadas para cada una de las variables sensadas, pero no
sobredimensionadas en relaci
´
on a los rangos de frecuencia
de observaci
´
on especificados. Cabe destacar que este sistema
es una versi
´
on mejorada de otros desarrollos anteriores [9]
mejorando aspectos de firmware, hardware y sensado. En
la Fig. 1 se puede apreciar una representaci
´
on del diagrama
en bloques del sistema completo, cuyas etapas principales
se describen en los siguientes apartados.
Fig. 1. Diagrama en bloques de la estaci
´
on de sensado agrupada en
diferentes sistemas: Digital, Sensado, Comunicaciones y Alimentaci
´
on.
A. Sistema de Sensado
El objetivo principal de la estaci
´
on de sensado es de-
tectar y registrar emisiones magn
´
eticas en las bandas del
espectro que abarcan TLF (< 3 Hz) y ELF (3-30 Hz).
Asimismo debido a que las ondas electromagn
´
eticas que
se esperan detectar se encuentran en la zona de campo
cercano, es conveniente que la estaci
´
on de medici
´
on sense
las tres componentes del campo magn
´
etico. Adicionalmente
tambi
´
en es necesario aislarlas caracterizando otras posi-
bles fuentes de emisiones a frecuencias similares en las
proximidades de la estaci
´
on de sensado. Esto se debe a
que las anomal
´
ıas bajo estudio como posibles precursores
s
´
ısmicos podr
´
ıan confundirse con variaciones de tipo ge-
omagn
´
eticas, ionosf
´
ericas o magnetosf
´
ericas, interferencia
generada por el ser humano, as
´
ı como se
˜
nales inducidas
en el equipo debido al movimiento, humedad, temperatura
y otros factores ambientales. Por otra parte, tambi
´
en se
busca tomar registros de otros precursores convencionales,
como la presencia de gas rad
´
on liberado desde el interior
de las rocas tras su fractura y las vibraciones mec
´
anicas
que pudieran estar relacionadas con posibles movimientos
s
´
ısmicos. Por esta raz
´
on, la estaci
´
on de monitoreo incluye
los siguientes dispositivos de sensado: antenas para medir
el campo magn
´
etico din
´
amico a muy bajas frecuencias; un
magnet
´
ometro para el campo magn
´
etico terrestre est
´
atico;
aceler
´
ometros para medir vibraciones; detector de gas rad
´
on;
sensores de humedad y temperatura. A continuaci
´
on se des-
criben algunas caracter
´
ısticas de los sensores m
´
as relevantes
y un resumen en la Tabla I.
1) Sensor de Emisiones Magn
´
eticas: se esperan detectar
emisiones magn
´
eticas en un rango de 0,01-30 Hz y de muy
bajas intensidades, en el orden de los nT. Para medir estas
variaciones de campo se utilizan en este caso tres antenas
de tipo lazo, caracterizadas en [10], una por cada eje de
coordenadas, fabricadas con 180 vueltas de alambre de cobre
esmaltado y un radio de 28 cm. Con las antenas podr
´
an
captarse las emisiones de campo magn
´
etico variable de muy
baja intensidad, requiri
´
endose una etapa de amplificaci
´
on
previa a la digitalizaci
´
on. Para ello se ha adquirido un
amplificador con ganancia de 100 dB y un filtro antialiasing
cuya banda de supresi
´
on se da aproximadamente a partir
de 30 Hz, considerando que la tasa de muestreo de los
conversores anal
´
ogicos digitales se ha fijado en 100 Hz.
2) Campo Magn
´
etico Est
´
atico: adem
´
as de las emisiones
magn
´
eticas variables, es importante tambi
´
en tomar registros
del campo magn
´
etico est
´
atico de la tierra. Si bien
´
este
puede sufrir variaciones por efectos ionosf
´
ericos u otros
fen
´
omenos magn
´
eticos localizados, es en general una mag-
nitud constante con el tiempo. Para este caso se utiliza un
magnet
´
ometro digital basado en el circuito MPU9250 con
interfaz I2C, fijando un periodo de muestreo de 5 minutos.
3) Detecci
´
on de Vibraciones: para poder correlacionar
los eventos s
´
ısmicos con las emisiones magn
´
eticas, es con-
veniente incorporar instrumentos que hagan la funci
´
on de
sism
´
ografo para detectar vibraciones o temblores del terreno.
En este caso se utiliza un aceler
´
ometro incluido en el mismo
circuito MPU9250. La frecuencia de muestreo se ha fijado
en 100 Hz al igual que con las antenas. Adicionalmente los
datos podr
´
an contrastarse con registros de la red INPRES
(Instituto Nacional de Prevenci
´
on S
´
ısmica).
Revista elektron, Vol. 2, No. 2, pp. 101-106 (2018)
ISSN 2525-0159
102
http://elektron.fi.uba.ar
4) Detecci
´
on de Gas Rad
´
on: el gas rad
´
on es un tipo de
precursor s
´
ısmico que brota desde la tierra en ocasiones
cuando se produce alg
´
un tipo de movimiento tect
´
onico.
Cuando el rad
´
on decae se liberan part
´
ıculas alfa con una
energ
´
ıa de 5,5 MeV. Estas part
´
ıculas se desplazan entre 4 y 7
cent
´
ımetros antes de disipar su energ
´
ıa ionizando mol
´
eculas
de aire. B
´
asicamente el detector produce un campo el
´
ectrico
con una fuente de alta tensi
´
on y muy bajo consumo de
corriente, con electrodos ubicados en el interior de una
c
´
amara cil
´
ındrica. Este campo el
´
ectrico captura los elec-
trones, producto de la ionizaci
´
on, que luego son detectados
en forma de pulsos el
´
ectricos. De esta manera, contando
los pulsos generados es posible detectar las part
´
ıculas alfa
y calcular la concentraci
´
on de rad
´
on [11] [12], tal como se
expresa en (1).
a(R
n
) = r × k/(nV
E
), (1)
donde a(R
n
) es la actividad espec
´
ıfica del rad
´
on en pCi/l
(pico-curies por litro), r la cantidad de pulsos contabilizados
por minuto, k un factor de desintegraci
´
on, n el n
´
umero de
part
´
ıculas alfa por
´
atomo de rad
´
on y V
E
el volumen efectivo
(en litros). Para el detector que ser
´
a utilizado en la estaci
´
on
de sensado se cumple que k/(nV
E
) = 1, 9. Por otra parte,
se ha fijado una ventana de tiempo de 5 minutos para el
conteo de part
´
ıculas detectadas.
TABLA I
SISTEMA DE SENSADO: FRECUENCIA DE MUESTREO (FS), PER
´
IODO
ASOCIADO (TS) Y CARACTER
´
ISTICA DEL SENSOR.
Magnitud Fs Ts Sensor
Emisiones magn
´
eticas 100 Hz 10 ms Antena (x,y,z)
Detecci
´
on de vibraciones 100 Hz 10 ms MPU9250 (x)
Campo magn
´
etico est
´
atico 3,3 mHz 5 min MPU9250 (x,y,z)
Detector de rad
´
on 3,3 mHz 5 min a=1,9 r [pCi/l]
Humedad 3,3 mHz 5 min HIH8120
Temperatura 3,3 mHz 5 min HIH8120
Tensi
´
on bater
´
ıa 3,3 mHz 5 min ADC (LPC1769)
B. Sistema Digital
El componente principal de este sistema es un microcon-
trolador de 32-bit, de arquitectura ARM cortex-M3, modelo
LPC1769 (fabricante NXP). Algunas caracter
´
ısticas son:
frecuencia de reloj de 120 MHz, 512 KB para memoria
de programa, 64 KB de RAM, 8 canales ADC (Analog to
Digital Converter), interfaces UART, I2C, SPI y Ethernet,
entre otras. Las funciones principales de este componente
abarcan: i) muestreo de las se
˜
nales mediante los conversores
ADC y entradas digitales (I2C y GPIO); ii) manejo de un
RTC (Real Time Clock) para garantizar el timestamp de los
datos registrados; iii) escritura de una tarjeta de memoria
SD en modo SPI; iv) control de las comunicaciones a trav
´
es
de interfaces serie (UART) y Ethernet. En particular, para
esta estaci
´
on de sensado prototipo se utiliza el m
´
odulo
de evaluaci
´
on LPCXpresso Board, indicado en la Fig. 2,
que adem
´
as del microcontrolador mencionado incluye en el
mismo m
´
odulo un circuito integrado LAN8720 para la capa
f
´
ısica de Ethernet. El circuito impreso indicado de la Fig. 2
fue dise
˜
nado mediante el software libre KiCAD y fabricado
en el laboratorio de circuitos impresos de FIUBA. El dise
˜
no
contempla adem
´
as algunas caracter
´
ısticas auxiliares como:
un canal adicional del ADC interno del microcontorlador,
Fig. 2. Sistema digital implementado. All
´
ı se pueden apreciar: terminales
para 5 canales del ADC (3 antenas, bater
´
ıa y adicional), z
´
ocalos para tres
memorias SD, bater
´
ıa para el RTC, conector RJ45 para la interfaz Ethernet,
terminal para la conexi
´
on de los m
´
odulos inal
´
ambricos (XBEE y SIM),
terminal para el detector de rad
´
on, terminales para sensores MPU9250 y
HIH8120 (I2C) y m
´
odulo LPCXpresso.
un ADC externo modelo MCP3208 (menor tasa de muestreo
que el interno pero con modo de captura diferencial) y un
terminal para una interfaz SPI extra de prop
´
osito general.
El firmware fue desarrollado utilizando como base la
biblioteca LPCOpen (NXP) [13] para la manipulaci
´
on de
perif
´
ericos. El manejo de la tarjeta de memoria SD se
realiza mediante la biblioteca FatFs [14] compatible con el
sistema de archivos en formato FAT32 utilizando un stack
de funciones est
´
andar.
Para el formato de los datos que se registran de manera
continua en la tarjeta de memoria, se arman archivos de
2,16 MB con toda la informaci
´
on del sensado. Cada archivo
corresponde a los datos capturados durante una hora exacta.
A su vez, cada uno de estos archivos est
´
a conformado por
12 bloques de 180017 bytes. Cada bloque acumula los datos
capturados durante 5 minutos y posee un encabezado de 17
bytes: 3 bytes para datos de tiempo (hh:mm:ss), 4 bytes
fijos para identificar el comienzo de bloque y 10 bytes para
los datos sensados cada 5 minutos indicados en la Tabla I,
correspondientes al detector de rad
´
on, las tres componentes
de los magnet
´
ometros, tensi
´
on de la bater
´
ıa, humedad y tem-
peratura. El resto de los datos del bloque (180 KB restantes)
se corresponden con las se
˜
nales sensadas con un periodo
de muestreo de 10 ms.
´
Estas se agrupan en segmentos que
guardan los datos de las tres antenas y el aceler
´
ometro, con
12 bits de palabra para cada magnitud, haciendo un total
de 48 bits (6 bytes) por segmento. Considerando que cada
bloque acumula 5 minutos de muestras, se requieren 30000
segmentos por bloque, acumulando 180 KB de datos para las
antenas y el aceler
´
ometro. Si se suman
´
estos a los 17 bytes
del encabezado, se obtienen los 180017 bytes por bloque.
C. Sistema de Comunicaciones
Si bien el principal acceso a los datos es a trav
´
es de
un dispositivo de almacenamiento masivo, en este caso una
tarjeta de memoria SD, el sistema adem
´
as se complementa
con distintas tecnolog
´
ıas de comunicaciones. El prop
´
osito de
´
estas es transferir informaci
´
on como el estado de la bater
´
ıa,
alarmas, o cualquier otro evento particular que desee deter-
Revista elektron, Vol. 2, No. 2, pp. 101-106 (2018)
ISSN 2525-0159
103
http://elektron.fi.uba.ar
minarse en tiempo real. Tambi
´
en se contempla la posibilidad
de enviar una parte de los datos almacenados durante un
intervalo de tiempo dado si fuera necesario, pero claramente
carece de sentido transferir en forma continua cada dato
sensado, ya que se estar
´
ıan consumiendo valiosos recursos
energ
´
eticos considerando que la mayor parte del tiempo no
habr
´
a registros de se
˜
nales an
´
omalas o s
´
ısmicas presentes. Al
mismo tiempo, el sistema podr
´
a recibir comandos de manera
remota, ya sea para activar o desactivar sensores, forzar el
modo de ahorro energ
´
etico, reajustar la fecha y hora del
RTC, solicitar informaci
´
on espec
´
ıfica o cualquier tipo de
configuraci
´
on requerida.
Para que la comunicaci
´
on tenga mayor flexibilidad y
pueda adaptarse a diferentes entornos, se incluyen para este
prototipo las tecnolog
´
ıas basadas en los est
´
andares IEEE
802.3 (Ethernet), IEEE 802.15.4 y GSM/GPRS.
Si se dispone de una red LAN con acceso a Internet en la
ubicaci
´
on de la estaci
´
on de sensado, se podr
´
a establecer la
comunicaci
´
on de manera remota a trav
´
es de la interfaz 802.3
que posee la placa LPCXpresso. En caso que la estaci
´
on
de sensado se encuentre alejada del punto de acceso a
la red global (decenas o algunas centenas de metros) se
podr
´
a utilizar 802.15.4 para conformar un enlace punto a
punto entre la estaci
´
on y un gateway que posea acceso a la
nube. En este caso se utiliza un transceiver marca XBee
que opera en la banda ISM de 2,4 GHz y con el cual
pueden conformarse redes ad-hoc con gran facilidad. En esta
topolog
´
ıa, el gateway necesario para acceder remotamente
deber
´
a incluir tanto el transceiver 802.15.4 como la conexi
´
on
a Internet. La desventaja en este caso es la necesidad de
agregar un dispositivo extra como intermediario entre la
estaci
´
on y el punto de acceso a la nube. Por otra parte, en
situaciones donde la estaci
´
on de sensado estuviese aislada
sin acceso de manera directa o indirecta al proveedor de In-
ternet, se contempla la comunicaci
´
on mediante GSM/GPRS
empleando un m
´
odulo SIM800, el cual permite acceder a
la nube estableciendo conexiones TCP/UDP a trav
´
es de
la red celular. Sin embargo debe tenerse en cuenta como
desventaja que esta variante depende de la infraestructura y
cobertura del servicio de telefon
´
ıa m
´
ovil, adem
´
as de requerir
un contrato del servicio de manera espec
´
ıfica para esta
aplicaci
´
on.
D. Sistema de Alimentaci
´
on
Uno de los requerimientos m
´
as importantes de todo el
sistema es su autonom
´
ıa energ
´
etica. Esto se debe a que la
estaci
´
on de monitoreo requiere de per
´
ıodos muy prolongados
de tiempo sin intervenci
´
on humana, ya que en la mayor
´
ıa
de los casos el equipo estar
´
a situado en lugares despoblados
o sin acceso a la red de suministro el
´
ectrico. Por lo tanto la
soluci
´
on pensada para este caso, cuyo esquema se muestra
en la Fig. 3, contempla la recolecci
´
on de energ
´
ıa solar
mediante un panel fotovoltaico, fuentes de switching para
generar diferentes tensiones continuas, una bater
´
ıa y un
regulador de carga. El panel solar es de la marca Luxen
modelo LN-30P, policristalino de dimensiones 470x510 mm,
con una potencia m
´
axima de 30 W, una tensi
´
on de 18,5
V (Pm
´
ax) y corriente de 1,62 A (Pm
´
ax). El regulador de
carga es de la marca Enertik modelo ENS-5-12/24, permite
una potencia m
´
axima del panel de 75 W (12 V) con un
Fig. 3. Diagrama en bloques del sistema de alimentaci
´
on. Se detallan las
fuentes internas: Amp (para alimentar los amplificadores) y Dig (para los
dispositivos digitales).
consumo interno inferior a 6 mA. Del regulador se obtiene
la tensi
´
on para alimentar las fuentes de switching para
los amplificadores de las antenas (12 V y ± 9 V) y los
dispositivos digitales (3,3 V y 5 V). Para el caso de la
bater
´
ıa, se adquiri
´
o el modelo UB-450 de 12 V, marca
Willard, de material calcio-plata con una carga de 38 Ah.
III. RESULTADOS
En este apartado se presentan algunos resultados con-
siderados relevantes para el cumplimiento de los objetivos
propuestos. Para ello se efectuaron diferentes fases de veri-
ficaci
´
on sobre el sistema, evaluando tanto el hardware como
firmware. A nivel de hardware se realiz
´
o una verificaci
´
on
tomando como base el an
´
alisis modal de fallas y efectos
realizado durante el dise
˜
no. En esta etapa tambi
´
en se verific
´
o
el cumplimiento de las especificaciones de los dispositivos
anal
´
ogicos (amplificadores y fuentes) dentro de las toleran-
cias estipuladas.
Para el firmware, la verificaci
´
on se dividi
´
o en dos nive-
les: Nivel-Bajo y Nivel-Alto. La verificaci
´
on de Nivel-Bajo,
realizada en las etapas iniciales de dise
˜
no, se efectu
´
o me-
diante un testing del c
´
odigo desarrollado para el manejo de
perif
´
ericos del microcontrolador: I2C, UART, SPI, Ethernet,
temporizadores, RTC y GPIOs. Adem
´
as en esta fase se
implementaron rutinas de prueba para estimar par
´
ametros
que pudieran ser cr
´
ıticos en el sistema, en particular se
consideraron: el tiempo de adquisici
´
on de los sensores y
el tiempo de escritura en la memoria SD.
Los tiempos de adquisici
´
on de los sensores y conversores
son par
´
ametros relevantes ya que imponen una restricci
´
on a
la m
´
axima tasa de muestreo. Pero adem
´
as de esto tambi
´
en
permiten estimar la disponibilidad de tiempo del sistema
(tiempo de inactividad). Durante este tiempo podr
´
a ges-
tionarse la energ
´
ıa en un modo de bajo consumo, por lo
que su estimaci
´
on resulta ser de valiosa utilidad. Para deter-
minarlo se realizaron 3000 mediciones, arrojando los resul-
tados indicados en la Tabla II. All
´
ı se puede apreciar que el
tiempo total requerido para el sensado (T
A
), considerando
s
´
olo las magnitudes m
´
as cr
´
ıticas que son muestreadas a una
frecuencia de 100 Hz, es ampliamente inferior al tiempo de
muestreo para esas magnitudes (T
S
= 10 ms) requiri
´
endose
s
´
olo unos 0,197 ms de cada slot de tiempo entre instantes
de muestreo. Esto deja un margen holgado de inactividad
que puede ser aprovechado para que el sistema entre en un
modo de bajo consumo (con excepci
´
on de los instantes de
escritura en la memoria externa).
Para la escritura en la tarjeta SD se utiliza un bloque
de memoria RAM como FIFO, en donde se retienen tem-
poralmente los datos capturados desde los sensores para
luego transferirlos a la tarjeta. Esto requiere que la tasa de
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TABLA II
TIEMPOS DE DIGITALIZACI
´
ON (T
D
) DE MAGNITUDES MUESTREADAS A
100 HZ : EMISIONES MAG., ACELER
´
OMETRO Y TOTAL (T
A
).
Magnitud Sensor T
D
[µs]
Emisiones magn
´
eticas (X) ADC[CH0] 18
Emisiones magn
´
eticas (Y) ADC[CH1] 18
Emisiones magn
´
eticas (Z) ADC[CH2] 18
Aceleraci
´
on MPU9250 143
Tiempo total de adquisici
´
on (T
A
) 197
transferencia a la SD sea inferior a la tasa de acumulaci
´
on
de datos en la FIFO. De hecho, se busca asegurar que el
tiempo de escritura en la SD sea muy inferior al ciclo de
escritura de la FIFO (tiempo que tarda en llenarse), ya que
esto reduce el tiempo de procesamiento del microcontrolador
y puede aprovecharse para al ahorro de energ
´
ıa. Para ello,
teniendo en cuenta que en la FIFO se acumulan 6 bytes
cada 10 ms de muestreo (las tres antenas y el aceler
´
ometro
con 12-bit de precisi
´
on cada uno), se obtiene una tasa de
carga en la FIFO de 4,8 kbps. En esta implementaci
´
on se
decidi
´
o utilizar un tama
˜
no de FIFO de 3,6 KB. Esto implica
que, despreciando los bytes del encabezado (17 bytes cada
5 minutos), el tiempo requerido para llenarla es de 6 s (3600
bytes × 8 bits/byte ÷ 4800 bit/s). Por su parte, el tiempo
de transferencia a la SD es poco determin
´
ıstico y presenta
variaciones dif
´
ıciles de predecir, por lo que se procedi
´
o a
estimarlo de forma experimental. Para ello, se efectuaron
700 ciclos de escritura, estimando el tiempo de escritura
de dos modos diferentes: i) el tiempo de escritura m
´
aximo
(T
max
) y ii) el tiempo m
´
as probable (T
moda
). Los resultados
se pueden observar en la Tabla III, considerando para el
tiempo m
´
as probable una frecuencia de ocurrencia del 60,7%
con una tolerancia de ±5 ms.
TABLA III
TIEMPOS DE ESCRITURA (T
W
) EN LA MEMORIA SD ESTIMADOS
(SOBRE UN TOTAL DE 700 MEDICIONES).
Tiempos estimados Nombre T
W
[ms] Ocurrencia
M
´
aximo detectado T
max
643 -
M
´
as probable T
moda
374 60,7% (±5 ms)
Con estos resultados, y dado que durante 6 s transcurren
600 per
´
ıodos de muestreo, se comput
´
o mediante (2) el
porcentaje de tiempo de inactividad total disponible para
el ahorro de energ
´
ıa, es decir, la proporci
´
on de tiempo
neto durante el cual el procesador no realiza tarea alguna,
obteniendo que T
sleep
[%] = 91, 8%. En la Fig. 4 se puede
ver un diagrama temporal indicando los tiempos de muestreo
(T
S
), de escritura (T
W
), de adquisici
´
on (T
A
), de inactividad
o sleep (T
SLEEP
) y el ciclo de escritura.
T
sleep
[%] =
1 −
600 × T
A
+ T
W
6 s
× 100% (2)
Para la verificaci
´
on de las capas de mayor abstracci
´
on
de firmware, o Nivel-Alto, se analizaron: comunicaci
´
on
mediante 802.15.4, 802.3 y GSM/GPRS; formato de los
datos registrados en la tarjeta; lectura y adaptaci
´
on de las
magnitudes sensadas; desempe
˜
no obtenido en el sensado de
emisiones de campo magn
´
etico captado por las antenas.
Fig. 4. Diagrama de la utilizaci
´
on de tiempos: escritura (TW), adquisici
´
on
(TA), muestreo (TS) e inactividad (TSLEEP).
Las figuras 5, 6 y 7 muestran las lecturas de los sen-
sores MPU9250 (magnet
´
ometro y aceler
´
ometro) y HIH8120
(humedad y temperatura). Para las mediciones de humedad y
temperatura, se efectu
´
o una variaci
´
on brusca de las mismas
empleando la convecci
´
on forzada de aire caliente, Fig. 5.
Para el magnet
´
ometro se sensaron las tres componentes de
campo, seg
´
un la Fig. 6, mientras se lo modificaba mediante
un im
´
an en las cercan
´
ıas del dispositivo. Tambi
´
en se verific
´
o
el aceler
´
ometro produciendo vibraciones intencionales cap-
tadas durante la experiencia, como se indica en la Fig. 7.
Por
´
ultimo, se verific
´
o el desempe
˜
no del sistema para
la detecci
´
on de emisiones de campo magn
´
etico. Si bien
en condiciones de laboratorio no es factible simular con
precisi
´
on el tipo de emisiones esperadas, ya que es pre-
cisamente el fen
´
omeno que desea estudiarse, es posible en
esta etapa de desarrollo verificar la sensibilidad del sistema
generando de manera artificial ondas de campo magn
´
etico
a frecuencias muy bajas. Por consiguiente, en este ensayo
Fig. 5. Lecturas de humedad y temperatura (circuito HIH8120).
0 50 100 150 200 250 300 350 400
−4
−2
0
2
4
−4
−2
0
2
Campo Magnético [µ T]
Muestras
X
Y
Z
Fig. 6. Lecturas del magnet
´
ometro (circuito MPU9250).
Fig. 7. Lectura del aceler
´
ometro (circuito MPU9250).
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se utiliz
´
o el banco de mediciones de la Fig. 8, conformado
por un generador de se
˜
nal modelo SDG830 (SIGLENT), un
bobinado de cable como antena para producir las emisiones
de campo magn
´
etico y la estaci
´
on de sensado. Para ello se
generaron ondas sinusoidales de frecuencias 1 Hz, 0,5 Hz
y 0,1 Hz. Los resultados se observan en las figuras 9, 10
y 11, donde se puede apreciar la respuesta en frecuencia
(computada mediante FFT) de cada se
˜
nal registrada durante
un intervalo de tiempo de 60 s. All
´
ı se observan las compo-
nentes de frecuencia emitidas desde el generador, not
´
andose
incluso algunas componentes arm
´
onicas producidas debido a
la distorsi
´
on del mismo al configurarlo en m
´
axima amplitud.
Fig. 8. Banco de medici
´
on para las capturas de emisiones magn
´
eticas
producidas a frecuencias de 1 Hz, 0,5 Hz y 0,1 Hz.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
−100
−80
−60
−40
−20
0
X: 1
Y: −4.383
Frecuencia [Hz]
Tensión [dB]
Fig. 9. Frecuencia de la se
˜
nal emitida: 1 Hz; cantidad de muestras
registradas N = 6000; cantidad de puntos de FFT: 10N ; duraci
´
on de
la captura: 60 s.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
−100
−80
−60
−40
−20
0
X: 0.5
Y: −10.07
Frecuencia [Hz]
Tensión [dB]
Fig. 10. Frecuencia de la se
˜
nal emitida: 0,5 Hz; cantidad de muestras
registradas N = 6000; cantidad de puntos de FFT: 10N ; duraci
´
on de la
captura: 60 s.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
−100
−80
−60
−40
−20
0
X: 0.1017
Y: −24.31
Frecuencia [Hz]
Tensión [dB]
Fig. 11. Frecuencia de la se
˜
nal emitida: 0,1 Hz; cantidad de muestras
registradas N = 6000; cantidad de puntos de FFT: 10N ; duraci
´
on de la
captura: 60 s.
IV. CONCLUSIONES
En este trabajo se present
´
o el prototipo de una estaci
´
on de
sensado con la que se podr
´
an estudiar diferentes fen
´
omenos
electromagn
´
eticos, en el rango de 0,01-30 Hz, y su posible
rol como precursores s
´
ısmicos, contribuyendo de esta ma-
nera con valiosa informaci
´
on experimental. Se ha presentado
una descripci
´
on sobre: los sensores requeridos para esta
aplicaci
´
on, la arquitectura de hardware del sistema, la verifi-
caci
´
on del firmware y las capturas realizadas con diferentes
sensores. En particular, para las pruebas de sensado con las
antenas, se observaron resultados muy satisfactorios ya que
se lograron detectar las emisiones generadas en condiciones
de laboratorio dentro del rango de frecuencias especificado.
V. TRABAJOS FUTUROS
Se estudiar
´
a el desarrollo de otras plataformas con mayo-
res prestaciones para cubrir un rango mucho m
´
as amplio
del espectro, con mayor capacidad de almacenamiento y
procesamiento, pero requiriendo en estos casos un esfuerzo
adicional para gestionar la autonom
´
ıa energ
´
etica.
Dado que el sistema dispone de un transceiver 802.15.4,
apropiado para la implementaci
´
on de redes inal
´
ambricas de
bajo consumo, se contempla la posibilidad de mejorar el
desempe
˜
no de la estaci
´
on de sensado utilizando otros sen-
sores con conectividad a la estaci
´
on principal. Esto permitir
´
a
sensar diferentes magnitudes en un
´
area m
´
as amplia, como el
sensado de gas rad
´
on, campo magn
´
etico est
´
atico, humedad,
temperatura, etc., de manera distribuida.
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