NodoVibraciones

Proyecto Tipo C · Red de nodos de adquisición de datos sismográficos

Monitoreo de vibraciones/sismos en edificación universitaria con nodos ESP8266 + MPU6050, backend Node-RED/Mosquitto/MySQL en Ubuntu Server.

1) Contexto y alcance

• Dominio: monitoreo sísmico estructural en la Facultad de Medicina (UNCuyo), con 4–10 nodos distribuidos en puntos de interés.
• Tecnologías núcleo: Node-RED (gestión/visualización), Mosquitto (MQTT), MySQL (persistencia), Ubuntu Server (SO).
• Nodo: ESP8266 (ESP-01) + MPU6050 (GY-521), alimentación fija y Li-ion, PCB propia.
• Motivación: alternativa de bajo costo con desempeño “accionable” frente a soluciones comerciales de alta precisión pero costosas.

Objetivo general: validar la factibilidad y el error objetivo (≤10%) mediante prototipado, pruebas y calibración.

2) Arquitectura (E2E)

flowchart LR
  %% IDs simples (A–Z, 0–9, _), solo ASCII. Sin <br/> ni comillas curvas.
  subgraph Capa_Nodos_4_10
    A1["ESP8266 / ESP-01\nMPU6050 (GY-521)"] -->|MQTT QoS1| BRK[(Mosquitto)]
    A2["ESP8266 / ESP-01\nMPU6050 (GY-521)"] -->|MQTT QoS1| BRK
  end

  BRK --> NR["Node-RED\nFlows + Dashboards"]
  NR  --> DB[(MySQL)]
  NR  --> A[Alertas / Notificaciones]

  %% Estilo básico para infra
  classDef infra fill:#eeeeee,stroke:#333333,stroke-width:1px;
  class BRK,DB infra;

Notas:

• Visualización y orquestación en Node-RED, broker Mosquitto, almacenamiento MySQL sobre Ubuntu Server.
• Escalabilidad por cobertura de 4–10 dispositivos; despliegue in situ en el edificio objetivo.

3) Estructura del repositorio

.
├─ firmware/                # Código ESP8266 (ESP-01) + MPU6050
   ├─ src/
   └─ include/
├─ design/                  # 3D models
│  ├─ Acoples/              
│  ├─ Accesorios/                 
│  └─ Impresiones 3D/                   
├─ PCB/
│  └─ Diseño de módulo      
├─ docs/
│  ├─ arquitectura.md
│  ├─ calibracion.md
│  └─ o&m.md
└─ README.md

4) Requisitos

• Nodo: Módulo ESP-07, módulo GY-521, fuente 5 V + step-down 3.3 V, batería Li-ion opcional.
• Servidor: Ubuntu Server con Node-RED, Mosquitto y MySQL.

5) Firmware (ESP8266 + MPU6050)

Intención: lectura de aceleraciones/giroscopio, timestamp NTP, buffer local, MQTT QoS1 con reconexión y LWT, watchdog, empaquetado JSON/CBOR.

Supuestos de diseño:

• Frecuencia de muestreo recomendada 100–200 Hz para vibraciones estructurales de baja a media frecuencia.
• Antialiasing digital simple con media móvil/BIQUAD; calibración in situ en etapa de instalación.

Esqueleto de payload (JSON):

{
  "node_id": "FACMED-03",
  "ts_unix_ms": 1733345678901,
  "ax": -0.0123, "ay": 0.0045, "az": 1.0012,
  "gx": 0.12, "gy": -0.05, "gz": 0.02,
  "vbat": 3.94, "temp": 28.4, "seq": 15231
}

Tópicos MQTT:

sismo/nodo/<node_id>/datos       (QoS1, no retenido)
sismo/nodo/<node_id>/estado      (QoS1, retenido)      # heartbeats
sismo/nodo/<node_id>/lwt         (QoS1, retenido)      # Last Will
sismo/cmd/<node_id>              (QoS1)                # control

Criterios de prueba rápida:

1. Pérdida de WiFi: datos en buffer y reenvío al reconectar.
2. Desconexión broker: activación de LWT y recuperación de sesión.
3. Variación NTP: jitter de timestamp < 20 ms en red local.

6) Backend

6.1 Mosquitto (MQTT)

Intención: broker central con TLS, usuarios/ACL y LWT.

# deploy/mqtt/mosquitto.conf (resumen)
listener 8883
cafile /etc/mosquitto/certs/ca.crt
certfile /etc/mosquitto/certs/server.crt
keyfile /etc/mosquitto/certs/server.key
require_certificate false
allow_anonymous false
password_file /etc/mosquitto/passwd
acl_file /etc/mosquitto/acl
persistence true
persistence_location /var/lib/mosquitto/

ACL mínimo de ejemplo:

user nodo01
topic write sismo/nodo/nodo01/#
topic read  sismo/cmd/nodo01

user nodered
topic read  sismo/nodo/+/datos
topic read  sismo/nodo/+/estado
topic read  sismo/nodo/+/lwt
topic write sismo/cmd/+

6.2 Node-RED

Intención: ingestión MQTT, cálculo de KPIs (PGA/PGV), alarmas y dashboard. KPIs sugeridos: PGA, PGV, espectros de respuesta 5% amort. Entrega: flujos exportables en backend/nodered/flows/*.json.

6.3 MySQL (modelo de datos)

Intención: persistencia de series temporales y metadatos.

-- backend/db/schema.sql (resumen)
CREATE TABLE nodes (
  id VARCHAR(32) PRIMARY KEY,
  alias VARCHAR(64),
  location VARCHAR(128),
  installed_at DATETIME,
  active TINYINT DEFAULT 1
);

CREATE TABLE samples (
  id BIGINT AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY,
  node_id VARCHAR(32) NOT NULL,
  ts_unix_ms BIGINT NOT NULL,
  ax FLOAT NOT NULL, ay FLOAT NOT NULL, az FLOAT NOT NULL,
  gx FLOAT, gy FLOAT, gz FLOAT,
  vbat FLOAT, temp FLOAT, seq BIGINT,
  KEY k_node_ts (node_id, ts_unix_ms),
  CONSTRAINT fk_samples_node FOREIGN KEY (node_id) REFERENCES nodes(id)
);

CREATE TABLE events (
  id BIGINT AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY,
  started_at DATETIME NOT NULL,
  ended_at   DATETIME,
  max_pga FLOAT, max_pgv FLOAT, note VARCHAR(255)
);

Criterios de prueba rápida:

• Inserción sostenida ≥ 200 msg/s en LAN con retardo < 100 ms E2E.
• Consultas por ventana móvil de 5 min bajo 200 ms.

7) Despliegue

7.1 Docker Compose (opcional)

# deploy/docker-compose.yml
version: "3.9"
services:
  mosquitto:
    image: eclipse-mosquitto:2
    ports: ["1883:1883", "8883:8883"]
    volumes:
      - ./mqtt/mosquitto.conf:/mosquitto/config/mosquitto.conf:ro
      - ./mqtt/certs:/etc/mosquitto/certs:ro
      - mosq_data:/var/lib/mosquitto
  nodered:
    image: nodered/node-red:latest
    ports: ["1880:1880"]
    environment:
      - TZ=America/Argentina/Mendoza
    volumes:
      - ./nodered/data:/data
  mysql:
    image: mysql:8
    environment:
      - MYSQL_ROOT_PASSWORD=changeme
      - MYSQL_DATABASE=sismo
    ports: ["3306:3306"]
    volumes: [ "mysql_data:/var/lib/mysql" ]
volumes: { mosq_data: {}, mysql_data: {} }

7.2 Ubuntu Server

• Instalar paquetes base, habilitar firewall, configurar TLS y usuarios para broker y DB.

8) Seguridad y roles

• Transporte: TLS en MQTT y en accesos al dashboard.
• Autenticación: usuarios separados por rol: nodo, nodered, ops.
• Principio de mínimo privilegio: ACL por tópico.
• DB: credenciales por servicio, rotación y backups programados.

9) Calibración y validación

• Metodología: prototipado → pruebas con estímulos conocidos → calibración para error ≤10%.
• Resultados esperados: sistema instalado, base de datos operativa, informe técnico.

10) Plan de pruebas

1. Nodo: watchdog, reconexión, buffer offline, precisión de timestamp.
2. Red: caída de WiFi y broker, recuperación de sesión MQTT.
3. Integración: ingestión Node-RED → MySQL, latencia y throughput.
4. Resiliencia: microcortes de energía, persistencia del broker.
5. Validación: comparación contra referencia en mesa vibratoria/estímulo controlado.

11) Instalación in situ y O&M

• Ubicación y fijación de nodos en la estructura; coordinación con autoridades para permisos y posiciones.
• Mantenimiento mínimo: recambio/recarga de batería Li-ion según desgaste.

12) Roadmap (alto nivel)

1. Diseño y prototipado del nodo.
2. Backend en nube y pruebas de integración.
3. Fabricación 4–10 unidades, instalación, optimización.

13) Trazabilidad (resumen)

• Requisito: bajo costo y despliegue escalable → Diseño: ESP8266 + MPU6050; Implementación: MQTT/Node-RED/MySQL; Prueba: error ≤10%; Resultado: sistema instalado y DB operativa.

14) Contribución

• PRs con tests y flujos reproducibles.
• Convenciones: commits tipo Conventional Commits, revisiones de seguridad básicas.

15) Licencia

Licencia MIT.

16) Créditos

• Organismo: Facultad de Ingeniería – UNCuyo. Espacio: Mecánica Vibratoria.
• Beneficiarios: Facultad de Medicina (sistema + acceso lector a DB); cátedra Mecánica Vibratoria (nodo didáctico).

17) Referencias del proyecto

• Documento base del proyecto: “Proyecto Tipo C: Red de nodos de adquisición de datos sismográficos.” (PDF).
• Contexto y motivación (“Key Information”).

Anexo A · Diagrama de secuencia (telemetría)

sequenceDiagram
  autonumber
  participant MPU as MPU6050
  participant MCU as ESP8266 (ESP-01)
  participant BRK as Mosquitto
  participant NR as Node-RED
  participant DB as MySQL

  MPU->>MCU: Lectura ax,ay,az,gx,gy,gz @fs
  MCU->>MCU: Timestamp NTP + empaquetado JSON
  MCU->>BRK: PUBLISH sismo/nodo/<id>/datos (QoS1)
  BRK-->>NR: FORWARD mensaje
  NR->>DB: INSERT muestras
  NR-->>NR: KPIs (PGA/PGV) + alarmas

Cómo usar este README

1. Adaptá el docker-compose.yml a tu servidor.
2. Importá los flujos Node-RED y conectá al broker y DB.
3. Flasheá el firmware del ESP-01 con tus credenciales WiFi/MQTT.
4. Corré pruebas de red, ingestión y calibración hasta cumplir el ≤10% de error.

Medical References:

1. None — DOI: file-QWTmTeDuec8pwW5nHiFvFW