Aportación de la monitorización mediante redes de sensores y técnicas no invasivas para la conservación preventiva del Patrimonio

La presente tesis doctoral presenta una serie de estudios en el campo del patrimonio basados en metodologías de monitorización mediante redes de sensores y técnicas no invasivas con el objetivo de realizar nuevas aportaciones a la conservación preventiva mediante el seguimiento de los daños de deterioro o la prevención de los mismos. Las metodologías de monitorización mediante el despliegue de redes tridimensionales basadas en data loggers abordan estudios microclimáticos, de confort y energéticos a corto plazo, donde se establecen conclusiones relativas a la eficiencia energética de tres sistemas de calefacción muy utilizados en iglesias de la región centro de la Península Ibérica, abordando aspectos de afección de los mismos en el confort de los ocupantes o en el deterioro de los elementos patrimoniales o constructivos. Se desplegaron además distintas plataformas de redes de sensores inalámbricas procediendo a analizar en esta tesis cuál es la que presenta mejores resultados en el ámbito del patrimonio con el objetivo de una monitorización a largo plazo y considerando aspectos de comunicaciones, consumo y configuración de las redes. Una vez conocida la plataforma que presenta mejores resultados comparativos se muestra una metodología de estudio de la calidad de las comunicaciones en múltiples escenarios de patrimonio cultural y natural con la misma, que servirá para establecer una serie de aspectos a considerar en el despliegue de redes de sensores inalámbricas en futuros escenarios a monitorizar. Al igual que ocurre con las redes de sensores basadas en data loggers, las tareas de monitorización desarrolladas en esta tesis mediante el despliegue de las distintas plataformas inalámbricas ha permitido la detección de numerosos fenómenos de deterioro que son descritos a lo largo de la investigación y cuyo seguimiento supone una aportación a la prevención de daños en los distintos escenarios. Asimismo en el desarrollo de la tesis se realiza una aportación para la conservación preventiva mediante la monitorización con distintas técnicas no invasivas como la termografía infrarroja, las medidas de humedad superficial mediante protimeter, las técnicas de prospección de resistividad eléctrica de alta resolución o la prospección georradar. De este modo se desarrollan distintas aportaciones y conclusiones acerca de las ventajas y/o limitaciones de uso de las mismas analizando la idoneidad de aplicar cada una de ellas en distintas fases de análisis o con distintas capacidades de detección o caracterización de los daños. El estudio de imbricación de dichas técnicas ha sido desarrollado en un escenario real que presenta graves daños por humedad, habiendo sido posible la caracterización del origen de los mismos. ABSTRACT This doctoral dissertation discusses field research conducted to monitor heritage assets with sensor networks and other non-invasive techniques. The aim pursued was to contribute to conservation by tracking or preventing decay-induced damage. Monitoring methodologies based on three-dimensional data logger networks were used in short-term micro-climatic, comfort and energy studies to draw conclusions about the energy efficiency of three heating systems widely used in central Iberian churches. The impact of these systems on occupant comfort and decay of heritage or built elements was also explored. Different wireless sensor platforms were deployed and analysed to determine which delivered the best results in the context of long-term heritage monitoring from the standpoints of communications, energy demand and network architecture. A methodology was subsequently designed to study communication quality in a number of cultural and natural heritage scenarios and help establish the considerations to be borne in mind when deploying wireless sensor networks for heritage monitoring in future. As in data logger-based sensor networks, the monitoring conducted in this research with wireless platforms identified many instances of decay, described hereunder. Tracking those situations will help prevent damage in the respective scenarios. The research also contributes to preventive conservation based on non-invasive monitoring using techniques such as infrared thermography, protimeter-based surface damp measurements, high resolution electrical resistivity surveys and georadar analysis. The conclusions drawn address the advantages and drawbacks of each technique and its suitability for the various phases of analysis and capacity to detect or characterise damage. This dissertation also describes the intermeshed usage of these techniques that led to the identification of the origin of severe damp-induced damage in a real scenario.

Influencia del ejercicio físico desarrollado durante el embarazo en la respuesta cardiaca fetal = Influence of a physical activity program performed during pregnancy on fetal heart response

INTRODUCCIÓN: El riesgo de padecer enfermedades cardiovasculares y los índices de obesidad infantil han ido en aumento durante los últimos años empobreciendo la salud de la población. La Teoría de Barker relaciona el estado de salud de la madre con el desarrollo fetal, asociando a un deficiente estado físico y hábitos de vida negativos de la mujer embarazada con el aumento del riesgo de padecer cardiopatías en la infancia y adolescencia, así como predisponer al recién nacido a padecer sobrepeso y/u obesidad en su vida posterior. Por otro lado los estudios efectuados sobre ejercicio físico durante el embarazo reportan beneficios para salud materna y fetal. Uno de los parámetros más utilizados para comprobar la salud fetal es su frecuencia cardiaca, mediante la que se comprueba el buen desarrollo del sistema nervioso autónomo. Si se observa este parámetro en presencia de ejercicio materno podría encontrarse una respuesta crónica del corazón fetal al ejercicio materno como consecuencia de una adaptación y mejora en el funcionamiento del sistema nervioso autónomo del feto. De esta forma podría mejorar su salud cardiovascular intrauterina, lo que podría mantenerse en su vida posterior descendiendo el riesgo de padecer enfermedades cardiovasculares en la edad adulta. OBJETIVOS: Conocer la influencia de un programa de ejercicio físico supervisado en la frecuencia cardiaca fetal (FCF) en reposo y después del ejercicio materno en relación con gestantes sedentarias mediante la realización de un protocolo específico. Conocer la influencia de un programa de ejercicio físico en el desarrollo del sistema nervioso autónomo fetal, relacionado con el tiempo de recuperación de la FCF. MATERIAL Y MÉTODO: Se diseñó un ensayo clínico aleatorizado multicéntrico en el que participaron 81 gestantes (GC=38, GE=43). El estudio fue aprobado por el comité ético de los hospitales que participaron en el estudio. Todas las gestantes fueron informadas y firmaron un consentimiento para su participación en el estudio. Las participantes del GE recibieron una intervención basada en un programa de ejercicio físico desarrollado durante la gestación (12-36 semanas de gestación) con una frecuencia de tres veces por semana. Todas las gestantes realizaron un protocolo de medida de la FCF entre las semanas 34-36 de gestación. Dicho protocolo consistía en dos test llevados a cabo caminando a diferentes intensidades (40% y 60% de la frecuencia cardiaca de reserva). De este protocolo se obtuvieron las principales variables de estudio: FCF en reposo, FCF posejercicio al 40 y al 60% de intensidad, tiempo de recuperación de la frecuencia cardiaca fetal en ambos esfuerzos. El material utilizado para la realización del protocolo fue un monitor de frecuencia cardiaca para controlar la frecuencia cardiaca de la gestante y un monitor fetal inalámbrico (telemetría fetal) para registrar el latido fetal durante todo el protocolo. RESULTADOS: No se encontraron diferencias estadísticamente significativas en la FCF en reposo entre grupos (GE=140,88 lat/min vs GC= 141,95 lat/min; p>,05). Se encontraron diferencias estadísticamente significativas en el tiempo de recuperación de la FCF entre los fetos de ambos grupos (GE=135,65 s vs GC=426,11 s esfuerzo al 40%; p<,001); (GE=180,26 s vs GC=565,61 s esfuerzo al 60%; p<,001). Se encontraron diferencias estadísticamente significativas en la FCF posejercicio al 40% (GE=139,93 lat/min vs GC=147,87 lat/min; p<,01). No se encontraron diferencias estadísticamente significativas en la FCF posejercicio al 60% (GE=143,74 lat/min vs GC=148,08 lat/min; p>,05). CONLUSIÓN: El programa de ejercicio físico desarrollado durante la gestación influyó sobre el corazón fetal de los fetos de las gestantes del GE en relación con el tiempo de recuperación de la FCF. Los resultados muestran un posible mejor funcionamiento del sistema nervioso autónomo en fetos de gestantes activas durante el embarazo. ABSTRACT INTRODUCTION: The risk to suffer cardiovascular diseases and childhood obesity index has grown in the last years worsening the health around the population. Barker´s Theory related maternal health with fetal development establishing an association between a poorly physical state and an unhealthy lifestyle in the pregnant woman with the risk to suffer heart disease during childhood and adolescence, childhood overweight and/or obese is related to maternal lifestyle. By the other way researches carried out about physical exercise and pregnancy show benefits in maternal and fetal health. One of the most studied parameters to check fetal health is its heart rate, correct fetal autonomic nervous system development and work is also corroborated by fetal heart rate. Looking at this parameter during maternal exercise a chronic response of fetal heart could be found due to an adaptation and improvement in the working of the autonomic nervous system. Therefore its cardiovascular health could be enhanced during its intrauterine life and maybe it could be maintained in its posterior life descending the risk to suffer cardiovascular diseases in adult life. OBJECTIVES: To know the influence of a supervised physical activity program in the fetal heart rate (FHR) at rest, FHR after maternal exercise related to sedentary pregnant women by a FHR assessment protocol. To know the influence of a physical activity program in the development of the autonomic nervous system related to FHR recovery time. MATERIAL AND METHOD: A multicentric randomized clinical trial was design in which 81 pregnant women participated (CG=38, EG=43). The study was approved by the ethics committee of all of the hospitals participating in the study. All of the participants signed an informed consent for their participation in the study. EG participants received an intervention based on a physical activity program carried out during gestation (12-36 gestation weeks) with a three days a week frequency. All of the participants were tested between 34-36 weeks of gestation by a specific FHR assessment protocol. The mentioned protocol consisted in two test performed walking and at a two different intensities (40% and 60% of the reserve heart rate). From this protocol we obtained the main research variables: FHR at rest, FHR post-exercise at 40% and 60% intensity, and FHR recovery time at both walking test. The material used to perform the protocol were a FH monitor to check maternal HR and a wireless fetal monitor (Telemetry) to register fetal beats during the whole protocol. RESULTS: There were no statistical differences in FHR at rest between groups (EG=140,88 beats/min vs CG= 141,95 beats/min; p>,05). There were statistical differences in FHR recovery time in both walking tests between groups (EG=135,65 s vs CG=426,11 s test at 40% intensity; p<,001); (EG=180,26 s vs CG=565,61 s test at 60% intensity; p<,001). Statistical differences were found in FHR post-exercise at 40% intensity between groups (EG=139,93 beats/min vs CG=147,87 beats/min; p<,01). No statistical differences were found in FHR at rest post-exercise at 60% intensity between groups (EG=143,74 beats/min vs CG=148,08 beats/min; p>,05). CONCLUSIONS: The physical activity program performed during gestation had an influence in fetal heart of the fetus from mother in the EG related to FHR recovery time. These results show a possible enhancement on autonomic nervous system working in fetus from active mothers during gestation.

Self-adaptive strategy based on fuzzy control systems for improving performance in wireless sensors networks

The solutions to cope with new challenges that societies have to face nowadays involve providing smarter daily systems. To achieve this, technology has to evolve and leverage physical systems automatic interactions, with less human intervention. Technological paradigms like Internet of Things (IoT) and Cyber-Physical Systems (CPS) are providing reference models, architectures, approaches and tools that are to support cross-domain solutions. Thus, CPS based solutions will be applied in different application domains like e-Health, Smart Grid, Smart Transportation and so on, to assure the expected response from a complex system that relies on the smooth interaction and cooperation of diverse networked physical systems. The Wireless Sensors Networks (WSN) are a well-known wireless technology that are part of large CPS. The WSN aims at monitoring a physical system, object, (e.g., the environmental condition of a cargo container), and relaying data to the targeted processing element. The WSN communication reliability, as well as a restrained energy consumption, are expected features in a WSN. This paper shows the results obtained in a real WSN deployment, based on SunSPOT nodes, which carries out a fuzzy based control strategy to improve energy consumption while keeping communication reliability and computational resources usage among boundaries.

Cognitive strategies for security in wireless sensor networks

Las redes de sensores inalámbricas son uno de los sectores con más crecimiento dentro de las redes inalámbricas. La rápida adopción de estas redes como solución para muchas nuevas aplicaciones ha llevado a un creciente tráfico en el espectro radioeléctrico. Debido a que las redes inalámbricas de sensores operan en las bandas libres Industrial, Scientific and Medical (ISM) se ha producido una saturación del espectro que en pocos años no permitirá un buen funcionamiento. Con el objetivo de solucionar este tipo de problemas ha aparecido el paradigma de Radio Cognitiva (CR). La introducción de las capacidades cognitivas en las redes inalámbricas de sensores permite utilizar estas redes para aplicaciones con unos requisitos más estrictos respecto a fiabilidad, cobertura o calidad de servicio. Estas redes que aúnan todas estas características son llamadas redes de sensores inalámbricas cognitivas (CWSNs). La mejora en prestaciones de las CWSNs permite su utilización en aplicaciones críticas donde antes no podían ser utilizadas como monitorización de estructuras, de servicios médicos, en entornos militares o de vigilancia. Sin embargo, estas aplicaciones también requieren de otras características que la radio cognitiva no nos ofrece directamente como, por ejemplo, la seguridad. La seguridad en CWSNs es un aspecto poco desarrollado al ser una característica no esencial para su funcionamiento, como pueden serlo el sensado del espectro o la colaboración. Sin embargo, su estudio y mejora es esencial de cara al crecimiento de las CWSNs. Por tanto, esta tesis tiene como objetivo implementar contramedidas usando las nuevas capacidades cognitivas, especialmente en la capa física, teniendo en cuenta las limitaciones con las que cuentan las WSNs. En el ciclo de trabajo de esta tesis se han desarrollado dos estrategias de seguridad contra ataques de especial importancia en redes cognitivas: el ataque de simulación de usuario primario (PUE) y el ataque contra la privacidad eavesdropping. Para mitigar el ataque PUE se ha desarrollado una contramedida basada en la detección de anomalías. Se han implementado dos algoritmos diferentes para detectar este ataque: el algoritmo de Cumulative Sum y el algoritmo de Data Clustering. Una vez comprobado su validez se han comparado entre sí y se han investigado los efectos que pueden afectar al funcionamiento de los mismos. Para combatir el ataque de eavesdropping se ha desarrollado una contramedida basada en la inyección de ruido artificial de manera que el atacante no distinga las señales con información del ruido sin verse afectada la comunicación que nos interesa. También se ha estudiado el impacto que tiene esta contramedida en los recursos de la red. Como resultado paralelo se ha desarrollado un marco de pruebas para CWSNs que consta de un simulador y de una red de nodos cognitivos reales. Estas herramientas han sido esenciales para la implementación y extracción de resultados de la tesis. ABSTRACT Wireless Sensor Networks (WSNs) are one of the fastest growing sectors in wireless networks. The fast introduction of these networks as a solution in many new applications has increased the traffic in the radio spectrum. Due to the operation of WSNs in the free industrial, scientific, and medical (ISM) bands, saturation has ocurred in these frequencies that will make the same operation methods impossible in the future. Cognitive radio (CR) has appeared as a solution for this problem. The networks that join all the mentioned features together are called cognitive wireless sensor networks (CWSNs). The adoption of cognitive features in WSNs allows the use of these networks in applications with higher reliability, coverage, or quality of service requirements. The improvement of the performance of CWSNs allows their use in critical applications where they could not be used before such as structural monitoring, medical care, military scenarios, or security monitoring systems. Nevertheless, these applications also need other features that cognitive radio does not add directly, such as security. The security in CWSNs has not yet been explored fully because it is not necessary field for the main performance of these networks. Instead, other fields like spectrum sensing or collaboration have been explored deeply. However, the study of security in CWSNs is essential for their growth. Therefore, the main objective of this thesis is to study the impact of some cognitive radio attacks in CWSNs and to implement countermeasures using new cognitive capabilities, especially in the physical layer and considering the limitations of WSNs. Inside the work cycle of this thesis, security strategies against two important kinds of attacks in cognitive networks have been developed. These attacks are the primary user emulator (PUE) attack and the eavesdropping attack. A countermeasure against the PUE attack based on anomaly detection has been developed. Two different algorithms have been implemented: the cumulative sum algorithm and the data clustering algorithm. After the verification of these solutions, they have been compared and the side effects that can disturb their performance have been analyzed. The developed approach against the eavesdropping attack is based on the generation of artificial noise to conceal information messages. The impact of this countermeasure on network resources has also been studied. As a parallel result, a new framework for CWSNs has been developed. This includes a simulator and a real network with cognitive nodes. This framework has been crucial for the implementation and extraction of the results presented in this thesis.

Cognitive strategies for reducing energy consumption in wireless sensor networks

El consumo energético de las Redes de Sensores Inalámbricas (WSNs por sus siglas en inglés) es un problema histórico que ha sido abordado desde diferentes niveles y visiones, ya que no solo afecta a la propia supervivencia de la red sino que el creciente uso de dispositivos inteligentes y el nuevo paradigma del Internet de las Cosas hace que las WSNs tengan cada vez una mayor influencia en la huella energética. Debido a la tendencia al alza en el uso de estas redes se añade un nuevo problema, la saturación espectral. Las WSNs operan habitualmente en bandas sin licencia como son las bandas Industrial, Científica y Médica (ISM por sus siglas en inglés). Estas bandas se comparten con otro tipo de redes como Wi-Fi o Bluetooth cuyo uso ha crecido exponencialmente en los últimos años. Para abordar este problema aparece el paradigma de la Radio Cognitiva (CR), una tecnología que permite el acceso oportunista al espectro. La introducción de capacidades cognitivas en las WSNs no solo permite optimizar su eficiencia espectral sino que también tiene un impacto positivo en parámetros como la calidad de servicio, la seguridad o el consumo energético. Sin embargo, por otra parte, este nuevo paradigma plantea algunos retos relacionados con el consumo energético. Concretamente, el sensado del espectro, la colaboración entre los nodos (que requiere comunicación adicional) y el cambio en los parámetros de transmisión aumentan el consumo respecto a las WSN clásicas. Teniendo en cuenta que la investigación en el campo del consumo energético ha sido ampliamente abordada puesto que se trata de una de sus principales limitaciones, asumimos que las nuevas estrategias deben surgir de las nuevas capacidades añadidas por las redes cognitivas. Por otro lado, a la hora de diseñar estrategias de optimización para CWSN hay que tener muy presentes las limitaciones de recursos de estas redes en cuanto a memoria, computación y consumo energético de los nodos. En esta tesis doctoral proponemos dos estrategias de reducción de consumo energético en CWSNs basadas en tres pilares fundamentales. El primero son las capacidades cognitivas añadidas a las WSNs que proporcionan la posibilidad de adaptar los parámetros de transmisión en función del espectro disponible. La segunda es la colaboración, como característica intrínseca de las CWSNs. Finalmente, el tercer pilar de este trabajo es teoría de juegos como algoritmo de soporte a la decisión, ampliamente utilizado en WSNs debido a su simplicidad. Como primer aporte de la tesis se presenta un análisis completo de las posibilidades introducidas por la radio cognitiva en materia de reducción de consumo para WSNs. Gracias a las conclusiones extraídas de este análisis, se han planteado las hipótesis de esta tesis relacionadas con la validez de usar capacidades cognitivas como herramienta para la reducción de consumo en CWSNs. Una vez presentada las hipótesis, pasamos a desarrollar las principales contribuciones de la tesis: las dos estrategias diseñadas para reducción de consumo basadas en teoría de juegos y CR. La primera de ellas hace uso de un juego no cooperativo que se juega mediante pares de jugadores. En la segunda estrategia, aunque el juego continúa siendo no cooperativo, se añade el concepto de colaboración. Para cada una de las estrategias se presenta el modelo del juego, el análisis formal de equilibrios y óptimos y la descripción de la estrategia completa donde se incluye la interacción entre nodos. Con el propósito de probar las estrategias mediante simulación e implementación en dispositivos reales hemos desarrollado un marco de pruebas compuesto por un simulador cognitivo y un banco de pruebas formado por nodos cognitivos capaces de comunicarse en tres bandas ISM desarrollados en el B105 Lab. Este marco de pruebas constituye otra de las aportaciones de la tesis que permitirá el avance en la investigación en el área de las CWSNs. Finalmente, se presentan y discuten los resultados derivados de la prueba de las estrategias desarrolladas. La primera estrategia proporciona ahorros de energía mayores al 65% comparados con una WSN sin capacidades cognitivas y alrededor del 25% si la comparamos con una estrategia cognitiva basada en el sensado periódico del espectro para el cambio de canal de acuerdo a un nivel de ruido fijado. Este algoritmo se comporta de forma similar independientemente del nivel de ruido siempre que éste sea espacialmente uniformemente. Esta estrategia, a pesar de su sencillez, nos asegura el comportamiento óptimo en cuanto a consumo energético debido a la utilización de teoría de juegos en la fase de diseño del comportamiento de los nodos. La estrategia colaborativa presenta mejoras respecto a la anterior en términos de protección frente al ruido en escenarios de ruido más complejos donde aporta una mejora del 50% comparada con la estrategia anterior. ABSTRACT Energy consumption in Wireless Sensor Networks (WSNs) is a known historical problem that has been addressed from different areas and on many levels. But this problem should not only be approached from the point of view of their own efficiency for survival. A major portion of communication traffic has migrated to mobile networks and systems. The increased use of smart devices and the introduction of the Internet of Things (IoT) give WSNs a great influence on the carbon footprint. Thus, optimizing the energy consumption of wireless networks could reduce their environmental impact considerably. In recent years, another problem has been added to the equation: spectrum saturation. Wireless Sensor Networks usually operate in unlicensed spectrum bands such as Industrial, Scientific, and Medical (ISM) bands shared with other networks (mainly Wi-Fi and Bluetooth). To address the efficient spectrum utilization problem, Cognitive Radio (CR) has emerged as the key technology that enables opportunistic access to the spectrum. Therefore, the introduction of cognitive capabilities to WSNs allows optimizing their spectral occupation. Cognitive Wireless Sensor Networks (CWSNs) do not only increase the reliability of communications, but they also have a positive impact on parameters such as the Quality of Service (QoS), network security, or energy consumption. These new opportunities introduced by CWSNs unveil a wide field in the energy consumption research area. However, this also implies some challenges. Specifically, the spectrum sensing stage, collaboration among devices (which requires extra communication), and changes in the transmission parameters increase the total energy consumption of the network. When designing CWSN optimization strategies, the fact that WSN nodes are very limited in terms of memory, computational power, or energy consumption has to be considered. Thus, light strategies that require a low computing capacity must be found. Since the field of energy conservation in WSNs has been widely explored, we assume that new strategies could emerge from the new opportunities presented by cognitive networks. In this PhD Thesis, we present two strategies for energy consumption reduction in CWSNs supported by three main pillars. The first pillar is that cognitive capabilities added to the WSN provide the ability to change the transmission parameters according to the spectrum. The second pillar is that the ability to collaborate is a basic characteristic of CWSNs. Finally, the third pillar for this work is the game theory as a decision-making algorithm, which has been widely used in WSNs due to its lightness and simplicity that make it valid to operate in CWSNs. For the development of these strategies, a complete analysis of the possibilities is first carried out by incorporating the cognitive abilities into the network. Once this analysis has been performed, we expose the hypotheses of this thesis related to the use of cognitive capabilities as a useful tool to reduce energy consumption in CWSNs. Once the analyses are exposed, we present the main contribution of this thesis: the two designed strategies for energy consumption reduction based on game theory and cognitive capabilities. The first one is based on a non-cooperative game played between two players in a simple and selfish way. In the second strategy, the concept of collaboration is introduced. Despite the fact that the game used is also a non-cooperative game, the decisions are taken through collaboration. For each strategy, we present the modeled game, the formal analysis of equilibrium and optimum, and the complete strategy describing the interaction between nodes. In order to test the strategies through simulation and implementation in real devices, we have developed a CWSN framework composed by a CWSN simulator based on Castalia and a testbed based on CWSN nodes able to communicate in three different ISM bands. We present and discuss the results derived by the energy optimization strategies. The first strategy brings energy improvement rates of over 65% compared to WSN without cognitive techniques. It also brings energy improvement rates of over 25% compared with sensing strategies for changing channels based on a decision threshold. We have also seen that the algorithm behaves similarly even with significant variations in the level of noise while working in a uniform noise scenario. The collaborative strategy presents improvements respecting the previous strategy in terms of noise protection when the noise scheme is more complex where this strategy shows improvement rates of over 50%.

Supervisión multidistribuida para el control de procesos de conservación de productos agroalimentarios: optimización de calidad del producto

La presente Tesis está orientada al análisis de la supervisión multidistribuida de tres procesos agroalimentarios: el secado solar, el transporte refrigerado y la fermentación de café, a través de la información obtenida de diferentes dispositivos de adquisición de datos, que incorporan sensores, así como el desarrollo de metodologías de análisis de series temporales, modelos y herramientas de control de procesos para la ayuda a la toma de decisiones en las operaciones de estos entornos. En esta tesis se han utilizado: tarjetas RFID (TemTrip®) con sistema de comunicación por radiofrecuencia y sensor de temperatura; el registrador (i-Button®), con sensor integrado de temperatura y humedad relativa y un tercer prototipo empresarial, módulo de comunicación inalámbrico Nlaza, que integra un sensor de temperatura y humedad relativa Sensirion®. Estos dispositivos se han empleado en la conformación de redes multidistribuidas de sensores para la supervisión de: A) Transportes de producto hortofrutícola realizados en condiciones comerciales reales, que son: dos transportes terrestre de producto de IV gama desde Murcia a Madrid; transporte multimodal (barco-barco) de limones desde Montevideo (Uruguay) a Cartagena (España) y transporte multimodal (barco-camión) desde Montevideo (Uruguay) a Verona (Italia). B) dos fermentaciones de café realizadas en Popayán (Colombia) en un beneficiadero. Estas redes han permitido registrar la dinámica espacio-temporal de temperaturas y humedad relativa de los procesos estudiados. En estos procesos de transporte refrigerado y fermentación la aplicación de herramientas de visualización de datos y análisis de conglomerados, han permitido identificar grupos de sensores que presentan patrones análogos de sus series temporales, caracterizando así zonas con dinámicas similares y significativamente diferentes del resto y permitiendo definir redes de sensores de menor densidad cubriendo las diferentes zonas identificadas. Las metodologías de análisis complejo de las series espacio-temporales (modelos psicrométricos, espacio de fases bidimensional e interpolaciones espaciales) permitieron la cuantificación de la variabilidad del proceso supervisado tanto desde el punto de vista dinámico como espacial así como la identificación de eventos. Constituyendo así herramientas adicionales de ayuda a la toma de decisiones en el control de los procesos. Siendo especialmente novedosa la aplicación de la representación bidimensional de los espacios de fases en el estudio de las series espacio-temporales de variables ambientales en aplicaciones agroalimentarias, aproximación que no se había realizado hasta el momento. En esta tesis también se ha querido mostrar el potencial de un sistema de control basado en el conocimiento experto como es el sistema de lógica difusa. Se han desarrollado en primer lugar, los modelos de estimación del contenido en humedad y las reglas semánticas que dirigen el proceso de control, el mejor modelo se ha seleccionado mediante un ensayo de secado realizado sobre bolas de hidrogel como modelo alimentario y finalmente el modelo se ha validado mediante un ensayo en el que se deshidrataban láminas de zanahoria. Los resultados sugirieron que el sistema de control desarrollado, es capaz de hacer frente a dificultades como las variaciones de temperatura día y noche, consiguiendo un producto con buenas características de calidad comparables a las conseguidas sin aplicar ningún control sobre la operación y disminuyendo así el consumo energético en un 98% con respecto al mismo proceso sin control. La instrumentación y las metodologías de análisis de datos implementadas en esta Tesis se han mostrado suficientemente versátiles y transversales para ser aplicadas a diversos procesos agroalimentarios en los que la temperatura y la humedad relativa sean criterios de control en dichos procesos, teniendo una aplicabilidad directa en el sector industrial ABSTRACT This thesis is focused on the analysis of multi-distributed supervision of three agri-food processes: solar drying, refrigerated transport and coffee fermentation, through the information obtained from different data acquisition devices with incorporated sensors, as well as the development of methodologies for analyzing temporary series, models and tools to control processes in order to help in the decision making in the operations within these environments. For this thesis the following has been used: RFID tags (TemTrip®) with a Radiofrequency ID communication system and a temperature sensor; the recorder (i-Button®), with an integrated temperature and relative humidity and a third corporate prototype, a wireless communication module Nlaza, which has an integrated temperature and relative humidity sensor, Sensirion®. These devices have been used in creating three multi-distributed networks of sensors for monitoring: A) Transport of fruits and vegetables made in real commercial conditions, which are: two land trips of IV range products from Murcia to Madrid; multimodal transport (ship - ship) of lemons from Montevideo (Uruguay) to Cartagena (Spain) and multimodal transport (ship - truck) from Montevideo (Uruguay) to Verona (Italy). B) Two coffee fermentations made in Popayan (Colombia) in a coffee processing plant. These networks have allowed recording the time space dynamics of temperatures and relative humidity of the processed under study. Within these refrigerated transport and fermentation processes, the application of data display and cluster analysis tools have allowed identifying sensor groups showing analogical patterns of their temporary series; thus, featuring areas with similar and significantly different dynamics from the others and enabling the definition of lower density sensor networks covering the different identified areas. The complex analysis methodologies of the time space series (psychrometric models, bi-dimensional phase space and spatial interpolation) allowed quantifying the process variability of the supervised process both from the dynamic and spatial points of view; as well as the identification of events. Thus, building additional tools to aid decision-making on process control brought the innovative application of the bi-dimensional representation of phase spaces in the study of time-space series of environmental variables in agri-food applications, an approach that had not been taken before. This thesis also wanted to show the potential of a control system based on specialized knowledge such as the fuzzy logic system. Firstly, moisture content estimation models and semantic rules directing the control process have been developed, the best model has been selected by an drying assay performed on hydrogel beads as food model; and finally the model has been validated through an assay in which carrot sheets were dehydrated. The results suggested that the control system developed is able to cope with difficulties such as changes in temperature daytime and nighttime, getting a product with good quality features comparable to those features achieved without applying any control over the operation and thus decreasing consumption energy by 98% compared to the same uncontrolled process. Instrumentation and data analysis methodologies implemented in this thesis have proved sufficiently versatile and cross-cutting to apply to several agri-food processes in which the temperature and relative humidity are the control criteria in those processes, having a direct effect on the industry sector.

Wireless Power Transfer: Control para máxima transferencia de potencia con enlace resonante inductivo

Este trabajo forma parte del proyecto “Health aware enhanced range wireless power transfer systems”, conocido por el acrónimo de ETHER. Los grupos investigadores que forman parte de ETHER involucran a dos instituciones, Universidad Politécnica de Cataluña (UPC) y Universidad Politécnica de Madrid (UPM). En este caso, el trabajo ha sido llevado a cabo en el marco del Centro de Electrónica Industrial(CEI) de la UPM. Además, este trabajo es el tercero en una sucesión de estudios realizados por el CEI con el objetivo de lograr implementar un sistema de carga inalámbrica en un marcapasos. Los trabajos previos al desarrollado son los realizados por Miguel Gifford y María Gonzalez. Otros trabajos del CEI han servido de guía. El principal objetivo de la aplicación, es evitar las operaciones que se llevan a cabo actualmente para la sustitución de la batería de los marcapasos implantados en pacientes. Este periodo de sustitución es del orden de cuatro años, lo que depende del tipo de marcapasos y las circunstancias en las que se vea envuelto el paciente. Se pretende lograr la carga del dispositivo causando la menor molestia posible al paciente sin afectar a su salud. El sistema de carga inalámrica o WPT1, está basado en inducción magnética resonante, conocida como RIC2. Esta tecnología se fundamenta en el uso de bobinas acopladas como elemento transmisor de energía. A su vez, la impedancia de estas bobinas, es compensada mediante el uso de condensadores, obteniendo circuitos resonantes. Mediante el uso de RIC se logran mejores características técnicas para la transmisión de energía en el rango medio. Esto permite salvar la distancia entre el elemento generador y la batería del marcapasos, incluso ante la existencia de tejido orgánico entre las dos bobinas. Se han considerado dos posibilidades de configuraci´on del sistema. Dos etapas: se dispone de dos bobinas, emisora y receptora. Esta configuración supone trabajar a altas frecuencias para conseguir transferencia de energías efectivas teniendo en cuenta las especificaciones del marcapasos. Tres etapas: se dispone de tres bobinas, emisora, intermedia y receptora. Se mejora el alcance, permitiendo trabajar a menores frecuencias, pero complicando el control y la implementación del sistema. Sin embargo, el foco de los esfuerzos invertidos en este trabajo, es el estudio del sistema de optimización que se introduce en las configuraciones anteriormente descritas. La optimización se centra en conseguir máxima transferencia de potencia, quedando relegado a un segundo plano el rendimiento. Esto se justifica por las características de la aplicación donde la principal limitación es la viabilidad del sistema. Asímismo, la viabilidad viene impuesta por la potencia que consume el marcapasos y la que es capaz de suministrar el sistema. Este sistema de optimización se basa en la regulación en frecuencia y en la adaptación de la impedancia de carga. Este último método es estudiado, y se basa en lograr una impedancia de carga igual al complejo conjugado de la impedancia de salida, logrando máxima transferencia de potencia. El sistema de optimización hace uso de varias estructuras de control de electrónica de potencia. Inversor: Se sitúa en la etapa emisora y permite controlar la frecuencia de trabajo del sistema. Rectificador activo: Se sitúa en la etapa receptora y controla el desfase entre intensidad y tensión. Convertidor CC-CC: Se sitúa en la etapa receptora, tras el rectificador. Controla la amplitud de la tensión.Mediante el uso conjunto del rectificador y el convertidor es posible controlar la impedancia de la carga. Se ha realizado un análisis teórico para determinar el punto de funcionamiento óptimo del sistema, y posteriormente, se han validado estos resultados mediante simulaciones. Se demuestra que la potencia transferida por el sistema WTP se multiplica por cinco respecto de la solución original, es decir, en ausencia del sistema de optimización. Además se logra mayor robustez, ya que el control activo del sistema proporciona mayor adaptabilidad ante condiciones alejadas de las de diseño. El trabajo realizado se ha prolongado durante un periodo de doscientos días efectivos con una dedicación de 360 horas de trabajo. El coste total asignado al desempeño del trabajo es de 16.678,94 euros.

Análisis prospectivo del despliegue de redes de comunicaciones móviles LTE en nuevas bandas de frecuencia mediante el desarrollo de modelos tecnoeconómicos

El estándar LTE se ha posicionado como una de las claves para que los operadores de telecomunicación puedan abordar de manera eficiente en costes el crecimiento de la demanda de tráfico móvil que se prevé para los próximos años, al ser una tecnología más escalable en el núcleo de la red y más flexible en la interfaz radio que sus predecesoras. En este sentido, es necesario también que los reguladores garanticen un acceso al espectro radioeléctrico adecuado, equitativo y no discriminatorio, que permita un entorno estable para el despliegue de redes de comunicaciones móviles avanzadas. Además de la flexibilización del marco regulador del espectro radioeléctrico en Europa, que ha permitido el despliegue de nuevas tecnologías en las bandas de frecuencia históricas de GSM, se ha puesto a disposición espectro adicional para sistemas IMT en nuevas bandas de frecuencia, lo que ha planteando a su vez nuevos retos para la tecnología y la regulación. La fragmentación del espectro disponible para comunicaciones móviles ha impulsado el desarrollo de técnicas de agregación de portadoras en las nuevas versiones del estándar LTE, que permiten explotar mejor los recursos radio en su conjunto. No obstante, el espectro inferior a 1 GHz sigue siendo escaso, ya que el tráfico móvil aumenta y la banda de 900 MHz aún se utiliza para servicios GSM, lo que no ha conseguido sino agravar la disputa entre los servicios de radiodifusión terrestre y de comunicaciones móviles por la parte superior de la banda UHF. En concreto, la banda de 700 MHz se perfila como una de las próximas para aumentar el espectro disponible para los servicios en movilidad, si bien su liberación por parte de las actuales redes de Televisión Digital Terrestre presenta no pocas dificultades en los Estados miembros en los que ésta es la principal plataforma audiovisual de acceso gratuito, abriendo un debate sobre el modelo audiovisual a largo plazo en Europa. Por otro lado, las políticas públicas de promoción del acceso a la banda ancha rápida y ultrarrápida de la presente década han establecido objetivos ambiciosos para el año 2020, tanto en el ámbito europeo como en los diferentes Estados miembros. La universalización del acceso a redes de banda ancha de al menos 30 Mbps constituye uno de los principales retos. Las expectativas generadas por la tecnología LTE y la puesta a disposición de nuevas bandas de frecuencia hace posible que los servicios de acceso fijo inalámbrico adquieran especial relevancia ante los objetivos de política pública establecidos que, como ha sido reconocido en diversas ocasiones, no podrán lograrse sino con un compendio de diferente tecnologías. Para esta Tesis Doctoral se han desarrollado una serie modelos tecnoeconómicos con el objetivo de realizar un análisis prospectivo que evalúa tres casos de especial relevancia en el despliegue de redes LTE: en primer lugar, la valoración económica de la banda de 700 MHz; en segundo lugar, la evaluación de modelos de negocio y reducción de costes considerando tecnologías femtocelulares; y finalmente, la viabilidad de las redes LTE de acceso fijo inalámbrico para el cierre de la brecha digital en el acceso a la banda ancha de 30 Mbps. En relación con la aplicación del análisis tecnoeconómico para la valoración del espectro de 700 MHz, los resultados obtenidos ponen de manifiesto dos cuestiones fundamentales. En primer lugar, la necesidad de asignar a los operadores más espectro para satisfacer las previsiones de demanda de tráfico móvil a medio plazo. En segundo, existe una diferencia notable en los costes de despliegue de una red LTE cuando se dispone de espectro en frecuencias inferiores a 1 GHz y cuando no, pero esta diferencia de costes disminuye a medida que se añade nuevo espectro sub-1GHz. De esta manera, la atribución de la banda de 700 MHz a servicios de comunicaciones móviles supone una reducción relevante en los costes de despliegue si el operador no dispone de espectro en la banda de 800 MHz, pero no así si ya dispone de espectro en bandas bajas para el despliegue. En este sentido, puede concluirse que el precio que los operadores estarán dispuestos a pagar por el espectro de la banda de 700 MHz dependerá de si ya tienen disponible espectro en la banda de 800 MHz. Sin embargo, dado que la competencia por ese espectro será menor, los ingresos esperables en las licitaciones de esta nueva banda serán en general menores, a pesar de que para algunos operadores este espectro sería tan valioso como el de 800 MHz. En segundo lugar, en relación con el despliegue de femtoceldas pueden extraerse algunas conclusiones en términos de ahorro de costes de despliegue y también de cara a la viabilidad de los modelos de negocio que posibilitan. El ahorro que supone la introducción de femtoceldas en el despliegue de una red LTE frente al caso de un despliegue exclusivamente macrocelular se ha demostrado que es mayor cuanto menor es el ancho de banda disponible para la red macrocelular. En esta línea, para un operador convergente el despliegue de femtoceldas tiene sentido económico si el ancho de banda disponible es escaso (en torno a 2x10 MHz), que, en el caso de España, puede reflejar el caso de los operadores del segmento fijo que son nuevos entrantes en el móvil. Por otro lado, los modelos de acceso abierto son interesantes para operadores exclusivamente móviles, porque consiguen flexibilizar los costes sustituyendo estaciones base macrocelulares por el despliegue de femtoceldas, pero necesitan desplegarse en zonas con una densidad de población relativamente elevada para que éstas descarguen tráfico de varios usuarios de la red macrocelular simultáneamente. No obstante, las femtoceldas son beneficiosas en todo caso si es el usuario quien asume los costes de la femtocelda y el backhaul, lo que sólo parece probable si se integran en el modelo de negocio de comercialización de nuevos servicios. Por tanto, el despliegue de femtoceldas en buena parte de la casuística estudiada sólo tiene sentido si consiguen aumentar los ingresos por usuario comercializando servicios de valor añadido que necesiten calidad de servicio garantizada y exploten a la vez de esa forma su principal ventaja competitiva respecto a la tecnología WiFi. Finalmente, en relación con el papel de la tecnología LTE para la provisión de servicios de acceso fijo inalámbrico para la banda ancha de 30 Mbps, se ha desarrollado un modelo TD-LTE y mediante la metodología de análisis tecnoeconómico se ha realizado un estudio prospectivo para el caso de España. Los resultados obtenidos preciden una huella de cobertura de FTTH del 74% para 2020, y demuestran que una red TD-LTE en la banda de 3,5 GHz resulta viable para aumentar la cobertura de servicios de 30 Mbps en 14 puntos porcentuales. Junto con la consideración de la cobertura de otras redes, la cobertura de 30 Mbps de acuerdo a la viabilidad de los despliegues alcanzaría el 95% en España en el año 2020. Como resumen, los resultados obtenidos muestran en todos los casos la capacidad de la tecnología LTE para afrontar nuevos desafíos en relación con el aumento del tráfico móvil, especialmente crítico en las zonas más urbanas, y el cierre de la brecha digital en el acceso a la banda ancha rápida en las zonas más rurales. ABSTRACT The LTE standard has been pointed out as one of the keys for telecom operators to address the demand growth in mobile traffic foreseen for the next years in a cost-efficient way, since its core network is more scalable and its radio interface more flexible than those of its predecessor technologies. On the other hand, regulators need to guarantee an adequate, equitable and non-discriminatory access to radio spectrum, which enable a favorable environment for the deployment of advanced mobile communication networks. Despite the reform of the spectrum regulatory framework in Europe, which allowed for the deployment of new technologies in the historic GSM bands, additional spectrum has been allocated to IMT systems in new frequency bands, what in turn has set out new challenges for technology and regulation. The current fragmentation of available spectrum in very different frequency bands has boosted the development of carrier aggregation techniques in most recent releases of the LTE standard, which permit a better exploitation of radio resources as a whole. Nonetheless, spectrum below 1 GHz is still scarce for mobile networks, since mobile traffic increases at a more rapid pace than spectral efficiency and spectrum resources. The 900 MHz frequency band is still being used for GSM services, what has worsen the dispute between mobile communication services and terrestrial broadcasting services for the upper part of the UHF band. Concretely, the 700 MHz frequency band has been pointed out as one of the next bands to be allocated to mobile in order to increase available spectrum. However, its release by current Digital Terrestrial Television networks is challenging in Member States where it constitutes the main free access audiovisual platform, opening up a new debate around the audiovisual model in the long term in Europe. On the other hand, public policies of the present decade to promote fast and ultrafast broadband access has established very ambitious objectives for the year 2020, both at European and national levels. Universalization of 30 Mbps broadband access networks constitutes one of the main challenges. Expectations raised by LTE technology and the allocation of new frequency bands has lead fixed wireless access (FWA) services to acquire special relevance in light of public policy objectives, which will not be met but with a compendium of different technologies, as different involved stakeholders have acknowledged. This PhD Dissertation develops techno-economic models to carry out a prospective analysis for three cases of special relevance in LTE networks’ deployment: the spectrum pricing of the 700 MHz frequency band, an assessment of new business models and cost reduction considering femtocell technologies, and the feasibility of LTE fixed wireless access networks to close the 30 Mbps broadband access gap in rural areas. In the first place and regarding the application of techno-economic analysis for 700 MHz spectrum pricing, obtained results reveal two core issues. First of all, the need to allocate more spectrum for operators in order to fulfill mobile traffic demand in the mid-term. Secondly, there is a substantial difference in deployment costs for a LTE network when there is sub-1GHz spectrum available and when there is not, but this difference decreases as additional sub-1GHz spectrum is added. Thus, the allocation of 700 MHz band to mobile communication services would cause a relevant reduction in deployment costs if the operator does not count on spectrum in the 800 MHz, but not if it already has been assigned spectrum in low frequencies for the deployment. In this regard, the price operators will be willing to pay for 700 MHz spectrum will depend on them having already spectrum in the 800 MHz frequency band or not. However, since competition for the new spectrum will not be so strong, expected incomes from 700 MHz spectrum awards will be generally lower than those from the digital dividend, despite this spectrum being as valuable as 800 MHz spectrum for some operators. In the second place, regarding femtocell deployment, some conclusions can be drawn in terms of deployment cost savings and also with reference to the business model they enable. Savings provided by a joint macro-femto LTE network as compared to an exclusively macrocellular deployment increase as the available bandwidth for the macrocells decreases. Therefore, for a convergent operator the deployment of femtocells can only have economic sense if the available bandwidth is scarce (around 2x10 MHz), which might be the case of fix market operators which are new entrant in mobile market. Besides, open access models are interesting for exclusively mobile operators, since they make costs more flexible by substituting macrocell base stations by femtocells, but they need to be deployed relatively densely populated areas so that they can offload traffic from several macrocell users simultaneously. Nonetheless, femtocells are beneficial in all cases if the user assumes both femtocell and backhaul costs, which only seems probable if they are integrated in a business model commercializing new services. Therefore, in many of the cases analyzed femtocell deployment only makes sense if they increase revenues per user through new added value services which need from guaranteed quality of service, thus exploiting its main competitive advantage compared to WiFi. Finally, regarding the role of LTE technology in the provision of fixed wireless access services for 30 Mbps broadband, a TD-LTE model has been developed and a prospective study has been carried out through techno-economic methodology for the Spanish case. Obtained results foresee a FTTH coverage footprint of 74% households for 2020, and prove that a TD-LTE network in the 3.5 GHz band results feasible to increase 30 Mbps service coverage in additional 14 percentage points. To sum up, obtained results show LTE technology capability to address new challenges regarding both mobile traffic growth, particularly critical in urban zones, and the current digital divide in fast broadband access in most rural zones.