Internet of Things en sistemas de monitorización inteligente con aplicación en transporte e infraestructuras

Resumen

Motivación La motivación de la Tesis Doctoral está fundamentada en las necesidades y retos tecnológicos planteados por la asumpción del paradigma del Internet of Things (IoT) como marco de comunicación y procesado para los nuevos dispositivos electrónicos, así como el punto de alojamiento de los servicios ofrecidos a los usuarios tras la explotación de dichos datos. Una de las características que define la sociedad actual es la hyper-conectividad a los sistemas de información, de los que cada vez se espera que ofrezcan servicios más avanzados que nos faciliten la vida diaria. Esto es debido a la enorme evolución tecnológica sufrida durante los últimos años, la cual, se ha visto sustentada principalmente por la explosión de las redes sociales, el uso de los smartphones, la evolución de las técnicas de análisis de datos y la nube. El concepto de nube se entiende como el sistema global y virtual, compuesto por una serie de recursos de almacenamiento, procesamiento e interconexión que ofrece sus servicios a los usuarios. En la misma línea, los servicios ofrecidos a los usuarios se sustentan en la monitorización de un catálogo de magnitudes físicas totalmente heterogéneo, lo que pone de manifiesto la necesidad de utilizar una arquitectura de sistema independiente de la magnitud medida. Por tanto, se necesita disponer de una arquitectura suficientemente genérica que permita integrar todos los tipos, tanto de redes de comunicación como de magnitudes a monitorizar posibles. Esto supone, no solo integrar las tecnologías existentes, sino garantizar la integrabilidad de las que pudieran aparecer, debido a la evolución y naturaleza cambiante del ecosistema electrónico. IoT se presenta como la solución a las cuestiones que aparecen en los párrafos anteriores, sin embargo, el despliegue definitivo requiere superar una serie de retos tecnológicos identificados en esta Tesis, los cuales se listan a continuación: Reducción del consumo energético, de forma minimice tanto el coste de operación como de mantenimiento derivado del cambio de las baterías. Reducción del coste de los dispositivos, para permitir un despliegue masivo de nodos. Integración de datos heterogéneos bajo una misma arquitectura, para permitir la explotación de las sinergias que pudieran aparecer entre estos. Interoperabilidad de redes de comunicación de distinta naturaleza bajo una misma arquitectura de forma que se posibilite el despliegue y se garantice la cobertura en todo tipo de entornos. Procesado masivo y eficiente de datos que permita la explotación de los datos en tiempo real. Seguridad de la información y los servicios ofrecidos, que garantice la integridad y privacidad de la información. Retos de índole legal y ética. El planteamiento de soluciones para la superación de los retos tecnológicos comentados ha dado lugar a una serie de líneas de investigación, lo que ha posibilitado el desarrollo de soluciones innovadoras que permiten avanzar en el estado el arte. Dichas soluciones son validadas tanto desde un marco teórico como práctico, para lo que se sigue la metodología de trabajo detallada en el siguiente punto.   Resumen de la Tesis Doctoral El avance continuo de la tecnología de sensores, unido a las nuevas redes de comunicación y las técnicas actuales de procesamiento masivo de información, dan lugar a la generación de aplicaciones que ofrecen sus servicios a los usuarios que cada vez demandan más capacidades. La integración de todos estos elementos da lugar a lo que se conoce como el paradigma Internet of Things (IoT) y que ha resultado ser la nueva revolución en lo que a sistemas de computación se refiere. No obstante, hoy en día, existen diferentes retos tecnológicos que imposibilitan el despliegue masivo del paradigma IoT como el alto consumo de potencia de los dispositivos, el coste de los mismos, la necesidad de integrar medidas de una naturaleza muy dispar, la integración de múltiples redes heterogéneas, la necesidad de procesar eficientemente cantidades de datos muy elevadas o la seguridad, así como retos desde el punto de vista legal y ético. En esta Tesis Doctoral, partiendo de los retos tecnológicos detectados, se han seleccionado una serie de campos de aplicación (transporte e infraestructuras) de relevancia y alto impacto sobre la sociedad actual y, más concretamente, varios casos de uso que ponen de ponen de manifiesto los retos presentados por la tecnología. De esta forma se han desarrollado soluciones innovadoras que generan aportaciones originales al estado del arte y acercan la técnica actual a las necesidades de un futuro despegue de la IoT: Sistema IoT sobre contenedores de mercancías: El primero de los casos de uso trata sobre el desarrollo de un sistema de monitorización y actuación sobre contendores de mercancía de bajo coste con capacidad para sensar 6 magnitudes físicas (temperatura, humedad relativa, luminosidad, estado de las puertas, detección de personas y posición GPS) y la actuar remotamente a través de switches. Además, se dota al dispositivo de una interfaz abierta, tanto a nivel HW como SW, que permite integrar cualquier dispositivo sensor o actuador de mercado con la adaptación adecuada. Esto permite abordar el reto de la heterogeneidad de las magnitudes a adquirir y la cantidad de datos a procesar en tiempo real. Finalmente, el desarrollo será validado experimentalmente viajando por toda la cadena intermodal (camión, tren y barco) en el corredor Madrid – Sevilla – Canarias, lo que pone de manifiesto la necesidad de integrar distintas redes en la misma arquitectura (redes locales, red móvil y red satélite) y la necesidad de minimizar el consumo de potencia, para así maximizar tiempo de vida de los nodos y, como consecuencia, minimizar los costes de operación y mantenimiento. La adaptación del diseño a la arquitectura IoT permite el desarrollo de servicios de valor añadido por parte de terceros de los que puede beneficiarse cada eslabón de la cadena logística. Instalación de nodos IoT en contenedores de forma no intrusiva utilizando ultrasonidos: El caso de uso anterior pone de manifiesto la necesidad de evitar utilizar comunicaciones cableadas entre el interior y el exterior de los contenedores para garantizar la estanqueidad de los mismos, así como minimizar el tiempo de instalación y por tanto los costes de mantenimiento. Tras el repaso del estado del arte se opta por utilizar la tecnología ultrasonidos basada en transceptores piezoeléctricos, en la banda de los 40 KHz, cuya validación en laboratorio y experimental arrojan resultados positivos. Sin embargo, añadir una nueva interfaz de comunicación que implica la eliminación del cable de comunicación entre el interior y el exterior de los contenedores supone aumentar el consumo de potencia global del sistema, por lo que será fundamental aportar soluciones de ultra bajo consumo que no minimicen significativamente la autonomía de los nodos y se pueda afrontar con suficiente solvencia dicho reto. Además, la superación de este reto tecnológico supone la aparición de una oportunidad de mercado, por lo que surgen nuevas líneas de investigación, en lo que a la minimización del consumo se refiere, con el objetivo de contar con dispositivos más competitivos. Por un lado, se abre una línea de investigación cuyo objetivo principal es la minimización del consumo de potencia del sistema. Para ello se diseña un nuevo soporte (carcasa magnética) para los transductores que garantiza una mejor fijación y mayor contacto de estos con el canal metálico, lo cual se valida con una caracterización de la respuesta del sistema completo. Por otro lado se investigará qué esquema de modulación, de entre las que se estimen más adecuadas para la aplicación, ofrece mejores resultados, resultando la DBPSK la más eficiente y robusta ante parásitos eléctricos y mecánico. Los resultados serán validados en laboratorio, resultando en una minimización del consumo de potencia de hasta 2 órdenes de magnitud de la etapa transmisora/receptora de ultrasonidos respecto del diseño original. Por otro lado, se investiga el aumento de la tasa de datos del sistema realizando una caracterización exhaustiva del canal de comunicación cuando los piezoeléctricos son fijados con resina epoxi en lugar de la carcasa magnética. Dicho estudio arrojará como resultado principal la aparición de una nueva banda, ubicada en los 360 KHz, que presenta una ganancia 20 dB superior a la banda base, además de mayor ancho de banda. Asimismo, se optará por la utilización de esquemas de modulación OFDM como vía para aumentar el ancho de banda del sistema. La combinación de estos dos factores (la modulación OFDM y la banda de 360 KHz) da lugar a un aumento significativo del ancho de banda (2.5 Kbps en el desarrollo anterior, 50 Kbps en este) y la minimización del consumo de potencia (0.38 mW en el desarrollo anterior, 66.7μW en este), logrando por tanto los objetivos marcados en cada paso de desarrollo del sistema y resultado en un sistema optimizado para la superación de los restos presentados por el paradigma IoT. Sistema IoT para inventario de señales de tráfico en carreteras: En lo que a infraestructura se refiere, se investigará la aplicación de un sistema de inventario de señales de carreteras basado en RFID pasivo, por las ventajas que ello presenta (garantiza un correcto funcionamiento en condiciones de baja visibilidad y nocturnidad) y frente a RFID activo, ya que se trata de una tecnología basada en estándar abierto, las etiquetas son de bajo coste y no necesita baterías, lo que facilita significativamente su despliegue masivo. En la Tesis Doctoral se ha aportado un estudio teórico que demuestra la viabilidad de la utilización de esta tecnología, incluyendo la reflexión multitrayecto y el efecto de tener un lector RFID en movimiento. Además se ha validado experimentalmente su utilización con las etiquetas seleccionadas (tags para entornos metálicos) sin afectar flujo del tráfico habitual y enviando la información a la nube, donde puede ser procesada en tiempo real. Adicionalmente se comprueba su posible utilización en entornos urbanos para inventario del mobiliario y las instalaciones o incluso para navegación por carretera, gracias a la heterogeneidad de la información que se puede codificar en su EPC y a los servicios ofrecidos por la capa superior de IoT. Monitorización de salud de correas de ascensores: En lo que la monitorización de las correas de los ascensores se refiere, se propone investigar la utilización de la reflectometría para la monitorización de las correas de los ascensores. Para ello, partiendo del estado del arte, se realizará el diseño HW y SW del sistema, tras lo que se lleva a cabo la validación experimental del sistema. La integración de este desarrollo en el marco IoT posibilita la utilización de los sistemas de alta capacidad de computación de la nube, los cuales, aplicando técnicas Compressive Sensing (CS), que permiten la reducción de la cantidad de muestras adquiridas y transmitidas por los nodos situados en cada ascensor, aumentando la precisión del sistema hasta en 3 órdenes de magnitud. Todo ello, manteniendo los dispositivos de adquisición de bajo coste (ADC integrado en microprocesadores ARM) y por tanto minimizando el precio del sistema. Sistema de Monitorización de Salud Estructural: Finalmente, extrapolando el concepto Smart City de IoT a infraestructuras civiles monitorizadas por redes de alta densidad de nodos inalámbricos, se lleva a cabo el desarrollo de un sistema de Monitorización del Salud Estructural (SHM ) de bajo consumo para el control y la determinación de la salud de dichas infraestructuras en tiempo real. La implementación de estos dispositivos dentro de la arquitectura IoT permite la utilización de los sistemas de cálculo de la nube y por tanto poder hacer frente al la gran carga computacional necesaria en algoritmos SHM como el basado en coeficientes autorregresivos y entradas exógenas (AR-ARX), lo cual habilita la detección de comportamientos anómalos de las estructuras monitorizadas así como daños estructurales. El sistema es validado experimentalmente en el modelo de un puente y un edificio de cinco plantas. La incorporación de este sistema a la arquitectura IoT permite, por otro lado, el desarrollo de servicios de valor añadido que permitan conocer el estado de salud de las estructuras en tiempo real y realizar tareas de mantenimiento predictivo, detección de fallos, localización de estos o incluso estimar el tiempo de vida útil de la infraestructura antes de quedar inutilizada. Para la completa implementación de los casos de uso anteriores ha sido necesario el desarrollo de nuevas técnicas de diseño electrónico que constituyen las principales aportaciones originales de la Tesis Doctoral: Desarrollo de un sistema de monitorización y control inteligente de contenedores de mercancías global, abierto, de bajo consumo y bajo coste optimizado para integración en el paradigma IoT. El sistema ofrece una interfaz abierta a nivel HW y SW para la integración de nuevos sensores y/o actuadores, cuyos datos son transportados por redes de comunicación tanto locales, como móviles o satélite y posteriormente procesados en la nube. A nivel de aplicación se ofrece otra interfaz abierta a terceros para que puedan desarrollar servicios de valor añadido basados en la explotación de la información disponible (planificación, geofencing, gestión de la calidad del transporte, protocolos de seguridad, custodia de la cadena de frío, etc.) y ofrecérselos a los distintos implicados en la cadena logística (propietario de la mercancía, cargadores, remolcadores, navieras, etc.) Aplicación de la tecnología ultrasonidos a través de transductores piezoeléctricos como medio de comunicación entre los sensores ubicados en el interior de los contenedores de mercancías y el transmisor inalámbrico instalado en el exterior de los mismos garantizando tanto su integridad y como su estanqueidad frente a los sistemas invasivos utilizados tradicionalmente. Además, la aplicación de esta tecnología aporta como beneficio adicional la minimización de los tiempos y costes de instalación, en tanto que es más rápido instalar los piezoeléctricos transmisor y receptor (con resina epoxi o con soporte magnético) que taladrar el contenedor para pasar un cable o hacerlo aprovechando las juntas flexibles que habitualmente existen en los laterales de las puertas. Adicionalmente, la utilización de un canal de ultrasonidos supone la no existencia de estrés mecánico en la cadena de transmisión, mientras que la comunicación cableada (por taladro o aprovechando las juntas flexibles) sí que está sometida a estrés generado por la apertura y cierre de las puertas, aumentando así la durabilidad de la instalación. Determinación del esquema de modulación apropiado basado en el estudio exhaustivo del canal y de los dispositivos de bajo coste a utilizar. Tras determinar como modulación óptima, de entre las estudiadas, la DBPSK, se realiza una implementación novedosa de un transmisor de muy bajo coste basado únicamente en biestables Flip-Flop y puertas NAND, lo que, además, permite reducir el consumo de la cadena de comunicación en general. La aplicación de esta técnica para la transmisión de información entre el interior y el exterior de los contenedores de mercancías está basada en la respuesta del canal, el cual se comporta como un filtro paso baja y que, por tanto, posibilita generar la señal DBPSK en base a una señal pulsada. Los resultados arrojan una minimización del consumo de energía de hasta 2 órdenes de magnitud respecto de la implementación analógica. Novedoso esquema de comunicación por ultrasonidos de bajo coste orientado a la minimización del consumo energético y maximización del ancho de banda. Esta optimización se lleva a cabo mediante la implementación de un esquema de modulación OFDM (128 portadoras D8PSK), aprovechando, por un lado la utilización de técnicas de submuestreo – permite la simplificación del receptor y disminuye los costes – y, por otro lado, la nueva banda de frecuencias que aparece en la caracterización del canal (Transductor Tx – Pared contenedor – Transductor Rx) en los 360 KHz (9o armónico de la frecuencia natural de los piezoeléctricos seleccionados) con mayor ganancia y ancho de banda respecto de la implementación original. Los resultados validan esta idea en tanto que se obtiene experimentalmente un ahorro en consumo de 3 órdenes de magnitud y un aumento en el ancho de banda de 20 veces superior. Aplicación de la tecnología RFID pasiva al inventario de señales de carretera basado en la demostración teórica de la viabilidad de la utilización de dicha tecnología, no solo al entorno de carreteras, sino también, a entornos urbanos de una forma eficiente y sin afectar al flujo del tráfico en cada caso. Esto posibilita, por un lado, y debido a que no necesita batería, la minimización de los costes tanto de operación como de mantenimiento, lo que permite afrontar los retos de bajo consumo y bajo coste y, por otro lado, la implementación de servicios adicionales en función de la codificación del EPC de los tags detectados, tales como la navegación o sistemas de comunicación I2V (Infraestruture-to-vehicle), lo que, junto alta capacidad de computación de la nube, posibilita el desarrollo de aplicaciones y servicios de valores añadidos basados en la explotación de la información de los tags. Sistema IoT para la monitorización de salud en correas de ascensores. Esta aportación se puede dividir en dos partes: Aplicación de la reflectometría en el dominio temporal (TDR) a la monitorización y el diagnóstico de las correas de los ascensores permitiendo la inspección de las mismas de forma no invasiva y con sistemas de bajo coste. Aplicación de técnicas de Compressive Sensing permitiendo la reducción de la tasa de muestreo y aumentando simultáneamente la sensibilidad y resolución en la localización del error sobre las correas bajo diagnóstico, todo ello con un sistema de bajo coste. Por un lado, la reducción de la tasa de datos implica la minimización de la cantidad de datos a transmitir a la nube y, por tanto permite reducir el consumo de potencia. La alta capacidad de procesado de la nube permite aplicar algoritmos de reconstrucción de señal sin perder información respecto de la implementación original. Por otro lado, se puede mantener la tasa de datos y, utilizando la potencia de cálculo de la nube, aumentar significativamente la precisión del algoritmo de detección y localización de fallos. En este último caso, se demuestra cómo, utilizando el ADC embebido de un Cortex-ARM de 32 bit muestreando a 1 Ksps, la precisión en lo que a la localización de fallos se refiere, aumenta de 70m en el caso de no utilizar Compressive Sensing¸ a 9,1 cm en caso de usarlo. Desarrollo de un sistema de monitorización de salud estructural (SHM) de bajo consumo, bajo coste y con arquitectura IoT, basado en algoritmos de coeficientes autorregresivos y entradas exógenas (AR-ARX). Estos algoritmos suponen una gran carga, tanto para almacenamiento como para el procesado de los datos, lo que hace necesaria la utilización de las capacidades Big Data y Fog Computing que ofrece IoT para detectar comportamientos estructurales anómalos o localizar y pronosticar daños estructurales de forma precisa. Las aportaciones originales anteriormente comentadas resultan ser el elemento principal sobre el que se sustentan las soluciones innovadoras desarrolladas, las cuales han dado lugar a 1 patente nacional y a numerosas publicaciones internacionales.   Conclusiones Esta Tesis Doctoral explota los beneficios de la arquitectura IoT para una sociedad demandante, cada vez más, de servicios de valor añadido aplicados al bienestar social y a la vida daría. Para ello, a lo largo de la Tesis, se presentan aportaciones originales empleadas en aplicaciones con un impacto relevante en la economía y la sociedad, como es el transporte y las infraestructuras. Las contribuciones realizadas, las cual se exponen a continuación, han sido previamente estudiadas teóricamente y, posteriormente, validadas experimentalmente, y constituyen un paso importante en el estado del arte, ya que han sido seleccionados casos de uso que ponen de manifiesto los principales desafíos tecnológicos que presenta el paradigma IoT. En la Tesis se ha identificado el transporte de mercancías como una aplicación futura esencial del IoT, de forma que en el Capítulo 2, se lleva a cabo el desarrollo de un sistema de monitorización y control inteligente de contenedores de mercancías. Dicho sistema presenta las siguientes características: Sistema abierto en todas sus capas. Sistema global. Bajo consumo. Bajo coste. Capacidad de medida de cualquier variable física (temperatura, humedad, luminosidad, estado de puertas, GPS y detección de movimiento ya instaladas en los dispositivos). Capacidad de integración en catálogo de redes de telecomunicación heterogéneo (locales, móviles o satélites). Integración en la nube. Integración con servicios de valor añadido de terceros. Por tanto, se trata de un dispositivo totalmente integrado en la arquitectura IoT y puede beneficiarse de las bondades que este paradigma ofrece, tales como amplia conectividad, integración en redes de dispositivos de mayor entidad (Smart City, IIoT, etc.), gran capacidad de procesamiento (Big Data) e inclusión en servicios de valor añadido globales. Durante el desarrollo de la plataforma IoT para el transporte de mercancías presentado en el capítulo 2 se identificó una necesidad del mercado, estando dedicado el siguiente capítulo al diseño de una interfaz de comunicaciones eficiente y fiable mediante ultrasonidos. El objeto de este canal de comunicaciones por ultrasonidos radica en sustituir la interfaz de comunicación cableada entre el interior y el exterior de los contenedores con el objetivo de evitar perforaciones en los mismos manteniendo su estanqueidad y facilitando su instalación. Para ello se ofrecen varias aportaciones originales utilizando transmisión ultrasonidos basada en transductores piezoeléctricos. Tras validar el desarrollo realizado teórica y experimentalmente, se realizan dos nuevas contribuciones fruto de dos nuevas líneas de investigación derivadas de la búsqueda de la minimización del consumo de la interfaz ultrasonidos. Por un lado, la primera línea, basada en la optimización de la fijación magnética del piezoeléctrico por y la sustitución de la etapa moduladora por una etapa puramente digital, apoyándose en la característica de filtro LP que presenta el canal de comunicaciones, logra minimizar significativamente el consumo de potencia manteniendo el ancho de banda. Por otro lado, la otra línea de investigación se basa en la utilización de la fijación del transductor mediante epoxi, la utilización de modulaciones multi-portadora y la explotación de la nueva banda que aparece en la caracterización del canal. Su implementación consigue minimizar, aún más que la anterior línea de investigación, la potencia consumida por la cadena de transmisión, así como aumentar significativamente el ancho de banda del sistema de comunicación. Por tanto, estos 3 desarrollos se presentan como soluciones eficientes y competitivas para la problemática presentada. A lo largo del Capítulo 4 se expone el desarrollo de nuevos sistemas IoT con sus correspondientes aportaciones originales al estado de la técnica. Por un lado se presenta un sistema de inventario de señales de carretera y navegación en tiempo real basado en la tecnología RFID pasiva, la cual, frente a los sistemas de reconocimiento por imágenes tradicionales, posibilita su utilización durante la noche y en condiciones de baja visibilidad y, frente a los RFID activos, se presenta como una solución más económica (en adquisición y mantenimiento) a la vez que estandarizada (no dependencia de un fabricante). La principal aportación realizada durante este desarrollo es, por un lado el desarrollo teórico de los modelos de comportamiento, incluyendo las reflexiones multitrayecto y la velocidad del vehículo de inventario y, por otro lado la validación en campo verificando su correcto funcionamiento tanto en carretera como entornos urbanos sin afectar al flujo del tráfico y abriendo nuevas posibles soluciones como el inventario de instalaciones urbanas y comunicación I2V. Otra de las soluciones presentadas en el capítulo 4 está enfocada al diagnóstico de las correas de los ascensores. Para ello, utilizando reflectometría y técnicas de Compressive Sensing, se consigue, por un lado, minimizar la cantidad de datos enviados inalámbricamente a la nube (minimización del consumo) para su procesamiento en tiempo real gracias al Big Data y, por otro lado, detectar anomalías y daños estructurales en las correas en tiempo real, alcanzando una precisión de hasta 9 cm, en una correa de 160m. Finalmente se detalla el desarrollo de un sistema SHM de bajo consumo, el cual, a partir de las vibraciones de las estructuras, y aprovechando la capacidad computacional ofrecida por IoT (Big Data), aplica algoritmos basados AR-ARX para la detección tanto de comportamiento anómalos como daños estructurales. La validación del sistema se realizó sobre sendas estructuras que emulan un puente y un edificio de cinco plantas, demostrando la detección de dichos daños y la no detección de falsos positivos. Finalmente, es necesario destacar que las aportaciones originales anteriormente comentadas resultan ser el elemento principal sobre el que se sustentan las soluciones innovadoras desarrolladas a lo largo de esta Tesis Doctoral, y son la base que ha dado lugar tanto a 1 patente nacional como a numerosas publicaciones internacionales. Conclusions This thesis exploits the benefits of IoT architecture for an ever-more demanding society in terms of services which improve social wellbeing and daily life. To achieve this, several innovative contributions are made in practical applications with relevant impact on the economy and society, like transport and infrastructures fields. These contributions, presented below and as it shows in Chapter 1, have been the subject of theoretical study and subsequent experiential validation, and are considered critical for the advancement of the state of art, as they have been chosen based on their highlighting the technological challenges that the widespread implementation of IoT infrastructure presents. Due to the importance of the transport of goods in today's economy, Chapter 2 details the development of an open, global, low power consumption and low cost intelligent monitoring system for freight containers, offering services such as integration of different physical values (temperature, relative humidity, GPS, pre-installed movement detection) and the transmission of these data to the cloud through local, mobile and satellite networks. In the cloud, this data can be exploted for value adding services in an open interface, as well as by third parties for developing new services. In effect, this process is fully integrated in the IoT architecture, and as such benefits from widespread connectivity, integration in networks of larger processes (Smart City, IIoT etc...) with greater processing power (Big Data) and potential inclusion value-adding global services. Chapter 3 focuses on replacing the wired communication interface connecting the interior of containers with the outside world, with the objective of avoiding perforating them and relying on an interface where the communication channel is subject to mechanical stress. For this purpose, innovative solutions are developed based on the use of ultrasound transmission by way of piezolectric transceivers. After initial validation of the process, the requirement of minimising energy consumption leads to two additional updates. The first one is, after the channel characterization, to implement a novel scheme of DBPSK modulator base on flip-flops and NAND logical doors and using the LP response of communication channel, resulting in a significant reduction in energy consumption whilst maintaining bandwidth. The second one is based on the use of epoxi resin to fix the transceiver to the container, as well as the use of multicarrier OFDM modulation and the exploitation of the new frequency band appeared which has a higher gain and bandwidth, which results in a reduction in energy consumption of the transmission chain in three orders of magnitude and in a significant increase in bandwidth. As a result, these three developments are considered competitive solutions to the original constraint. Chapter 4 describes the development of new IoT systems and its contributions to the state of art. First, an real time inventory system for road signs and navigation is presented using passive RFID technology which, unlike its image-based predecessors allows for nighttime and low visibility operation. This method is also cheaper than those based on active RFID, both in terms of purchasing and maintenance, as well as being non-propietary (not dependant on a single supplier). The development of this process adds value through its development of theoretical behavioral models, including multipath propagation and moving vehicle. Moreover, field testing support its use both on the roadside and urban environments without disrupting traffic and creates new possibilities such as inventory in urban facilities and I2V communication. Other solution presented in chapter 4 consist in the elevator belt diagnostics. The use of reflectometry and Compressive Sensing techniques allows for the minimization of data sent wirelessly to the cloud (lower energy consumption) for processing in real time using Big Data. This, in turn, makes real time anomaly and structural damage detection of the belts possible with a level of precision up to 9cm on a 160m belt. Lastly, a detailed account of the development of a low cost and energy efficient SHM system is given, which, by detecting vibrations in the structures, and exploiting the processing power provided by IoT (Big Data), applies AR-ARX based algorithms in order to detect abnormal behavior as well as structural damages. The validation of the system was performed on structures which emulate a bridge and a five-story building, demonstrating the detection of damage and an absence of false positives. Finally, it is critical to point out this Thesis’ contributions described above are the main element on which the innovative solutions presented in this thesis were founded and were also the origin of a national patent as well as several international publications. Líneas futuras de investigación Partiendo de la base de que en la presente Tesis Doctoral se han desarrollado varios sistemas bajo un mismo paradigma, el de IoT, una de las futuras líneas de investigación sería la integración de todos aprovechando las sinergias que pudiesen aparecer entre ellos bajo el concepto de Smart City o IIoT y desarrollar las aplicaciones o servicios de alto nivel necesarios para la explotación de la información combinada de los sistemas presentados. Por otro lado, continuando con la línea de desarrollo de sistemas de bajo consumo seguida a lo largo de esta Tesis Doctoral, uno de los retos más importantes que presenta el despliegue masivo del paradigma IoT es la cantidad de energía y número de baterías necesarias para proporcionar a los billones de dispositivos que se esperan a corto-medio plazo. Hoy en día, la cantidad de baterías necesarias para alimentarlos está por encima de la capacidad de producción a lo que hay que añadir las baterías que se deban ir reemplazando. Esto daría lugar a varias líneas de investigación importantes. Por un lado, ya está acuñado el término Battey-Less IoT que apuesta por el diseño de nuevas estructuras y circuitos electrónicos que posibiliten el funcionamiento de los dispositivos captando del entorno suficiente energía para realizar la tarea para la que estén diseñados y posteriormente apagarse y así sucesivamente. Por tanto, continuar la investigación en esta línea estaría justificado por tratarse de una necesidad existente sobre la que se aportarían soluciones orinales, en tanto que el catálogo existente es muy reducido e insuficiente. Por otro lado, los sistemas que cuentan con batería implican un coste de mantenimiento derivado de la sustitución de las mismas una vez que se agotan o la sustitución del propio dispositivo lo que, escalado a decenas de billones de dispositivos, supone un coste demasiado elevado. Por tanto, hoy en día, la apuesta por el desarrollo de sistemas de Energy Hardvesting de pequeña escala que permitan mantener dichas baterías garantiza situar la investigación en una necesidad actual sobre la que el estado del arte necesita avanzar. En lo que SHM se refiere, desde finales de los años 1990 se han sucedido distintas soluciones, las cuales no han podido superar los retos tecnológicos presentados. Si inicialmente el principal problema era la comunicación de los dispositivos, hoy en día el principal reto está ubicado en el desarrollo de algoritmos de diagnóstico de la salud estructural capaces de cubrir hasta el cuarto nivel de la escala de sistemas SHM, esto es hasta ser capaces de realizar prognosis sobre la estructura, lo que abriría una nueva dimensión para este campo. Las técnicas y la capacidad de cálculo ofrecidas por el Big Data, el Cloud Computing o incluso el emergente Fog Computing, permiten afrontar el cálculo de algoritmos que no era posible hasta la fecha. Por tanto, partiendo de sistemas SHM como el presentado en esta Tesis Doctoral, se sitúa a la comunidad científica en un momento óptimo para afrontar este reto como nueva línea de investigación. Finalmente, antes de realizar la última propuesta, cabe comentar que todos los desarrollos realizados en esta Tesis Doctoral se sitúan bajo el concepto IoT, el cual es tan amplio que ofrece infinitas posibilidades de aplicación. Por tanto, una nueva línea de investigación puede centrarse en la adaptación de los sistemas desarrollados a lo largo de esta Tesis para su aplicación en un campo distinto al que fueron concebidos. Algunos ejemplos de esto podría ser la aplicación del sistema SHM a aerogeneradores o torres de alta tensión, el sistema de inventario RFID al guiado en zonas urbanas donde no existe cobertura GPS o al guiado de barcos en la vía del Guadalquivir para evitar el encallado, entre otros. Future lines of research Given that this Doctoral Thesis has developed several systems under the same paradigm, that of IoT, a potential future line of investigation would be their integration, making the most of the sinergies which may appear between them bajo del concepto de Smart City or IioT, as well as the development of applications or services necessary in order to exploit the combined information provided by these systems. Secondly, one of the most important obstacles to widespread implementation of IoT is the energy consumption and battery power needed to power the billions of devides expected in the short-mid term. As it stands, the amount of batteries necessary is above our capacity of production, not to mention those batteries which will need replacement. This opens the way for several lines of investigation. On the one hand, the term Batteryless IoT has already been coined, describing th design of new structures whose electrical circuits make possible the functionning of the devices possible on an intermittent basis: capturing enough energy from the environment in order to perform their task, before shutting down, and repeating. Given the paucity of solutions in this area, continued investigation is critical. On the other hand, those systems that are battery powered entail a maintenance cost derived from the replacement of the batteries. Once scaled to the billions of devices expected, this supposes too high a cost. For this reason, the development of small scale Energy Harvesting systems which would facilitate the maintenance of these batteries would ensure that research in the field has to follows in this way in order to contribute to the state of the art with novel solutions. With respect to SHM, various methods have been developed succesively since the end of the 1990s. None, however, have been able to solve technological constraints listed in this thesis. While, originally, the main problem was communication between devices, today the principal constraint lies in the development of diagnostic algorithms for structural health capable of reaching the fourth level on the scale of SHM systems: in other words, the ability to provide prognosis for the structure, which would break new ground for this field. The techniques and computing capacity offered by Big Data, Cloud Computing and even the emergin Fog computing provide the capacity for algorithm calculation which up until now was impossible. As such, the scientific community has been presented with the optimal tools to meet this technological constraint. Lastly, it should be noted that all the developments presented are in the paradigm of IoT, which is so vast that it offers limitless possibilities for application. For this reason, a new line of investigation could focus on the adaptation of the systems developed in this thesis for application in a different field. Examples include adapting the SHM system to aerogenerators or high voltage towers, or applying the RFID inventory system to navigation in urban areas where there is no GPS coverage, or indeed to ship navigation in the Guadalquivir river to avoid ships running aground. Publicaciones directamente relacionadas con la tesis Artículos de Revista Internacionales con JRC Hidalgo Fort, E., Garcia Oya, J. R., Munoz Chavero, F., & Gonzalez Carvajal, R. (2018). Intelligent Containers Based on a Low-Power Sensor Network and a Non-Invasive Acquisition System for Management and Tracking of Goods. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 19(8), 2734–2738. https://doi.org/10.1109/tits.2017.2745717. Garcia Oya, J. R., Algueta Miguel, J. M., Garcia Doblado, J., Munoz Chavero, F., Hidalgo Fort, E., Baena Lecuyer, V., & Lopez Martin, A. 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