Diseño y desarrollo de sistemas basados en dispositivos magnéticos para aplicaciones en espacio y defensa

Pérez Jiménez, Marina (2019). Diseño y desarrollo de sistemas basados en dispositivos magnéticos para aplicaciones en espacio y defensa. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Telecomunicación (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.57558.

Description

Title: Diseño y desarrollo de sistemas basados en dispositivos magnéticos para aplicaciones en espacio y defensa
Author/s:
  • Pérez Jiménez, Marina
Contributor/s:
  • Aroca Hernández-Ros, Claudio
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2019
Subjects:
Freetext Keywords: Magnetismo; susceptibilidad magnética; sensores fluxgate; sensores AMR; investigación planetaria; seguridad fronteriza; seguridad portuaria; redes de sensores; Internet de las Cosas; RFID; NFC; redes de corto alcance
Faculty: E.T.S.I. Telecomunicación (UPM)
Department: Electrónica Física
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

En este trabajo de tesis ha tenido como objetivo el diseño, desarrollo y puesta en funcionamiento de sistemas y dispositivos basados en magnetismo, en diferentes campos de la ingeniería electrónica, de instrumentación y de telecomunicaciones. El documento que se presenta a continuación está dividido en todas aquellas áreas donde se han hecho significativos aportes durante el periodo de investigación. El objetivo fue, desde el principio, juntar el conocimiento adquirido en ingeniería con las necesidades existentes en entornos de investigación científica relativa a ingeniería de materiales, investigación extraplanetaria de propiedades magnéticas, mejoras en la ciertos aspectos sensibles relativos a la seguridad personal o desarrollo y despliegue de nuevas redes para las sociedades hiperconectadas. El carácter multidisplinar que ha tomado este trabajo es una prueba significativa de las muchas aplicaciones que puede tener el magnetismo, como base principal sobre la que se sustentan nuevos dispositivos o mejoras de los ya existentes. Desde el punto de vista de la investigación científica, el estudio de propiedades magnéticas está permitiendo a la ingeniería de materiales abrir camino en la investigación de comportamientos en la materia que hasta ahora no había podido abordarse y que están permitiendo el desarrollo de nueva física, siendo un claro ejemplo la espintrónica y el desarrollo de nanomateriales. Son innumerables los dispositivos empleados para la seguridad de personas, el tráfico de mercancías y el control fronterizo y de zonas sensibles. Pero muchos de estos dispositivos son manipulables o tienen fallos que pueden comprometer seriamente la integridad de la gente o los países. Muchos se basan en análisis ópticos y suponen un aporte de información que, si bien es cierto que han ido mejorando a lo largo de los años en muchas ocasiones pueden ser deficientes. Durante el desarrollo de este trabajo se puso el foco en diseñar sistemas que mejoraran la tecnología ya existente pudiendo sustituirla o ser un complemento de la misma. Se emplearon sensores magnéticos para obtener información sobre vehículos en zonas donde es necesario llevar a cabo un control de los mismos, sobre todo teniendo en cuenta que las leyes y medidas adoptadas por ciertos países, en la actualidad, hacen que se necesiten adoptar medidas mucho más exhaustivas y precisas. Nos encontramos en la actualidad en un modelo de sociedad que tiende a la hiperconexión. En los países desarrollados, casi la totalidad de la población vive a través de dispositivos conectados con otros dispositivos, dibujando redes de contacto donde los datos y la información personal ha dejado de pertenecer al individuo para convertirse en datos dentro de una gran nube siendo accesibles casi en su totalidad. Esto está permitiendo una interactuación con el entorno mucho más fluida, y humana ya que dispositivos electrónicos que hasta ahora han estado aislados de nuestro entorno, se han convertido en parte integrante de él y son conocedores de la cantidad de información suficiente como para poder “hablar” con nosotros. La mejora de redes de corto alcance, el surgimiento del paradigma del “Internet de las Cosas”, la centralización de servicios al ciudadano en el teléfono móvil, la aparición de sistemas de comunicación más rápidos y seguros y un sinfín de mejoras en los dispositivos y tecnologías están trayendo una serie de ventajas evidentes: ciudades inteligentes, casas domóticas, coches autónomos, conectividad humana total y mundial, nuevos modelos de negocio, libertad en desplazamientos, nuevos métodos de aprendizaje, etc. Pero también tienen problemas subyacentes: problemas relativos al hacking de información sensible, comercialización con datos privados, sociedades individualistas y aisladas, falta de regulación en las nuevas profesiones, etc. En la última parte del trabajo de tesis hemos puesto el foco en proponer alternativas para mejorar ciertas características que tienen que ver con cómo se despliegan las redes de corto alcance, enfocadas a IoT, y como son los dispositivos que forman parte de dichas redes. Hemos querido mejorar la seguridad de dichos despliegues diseñando un dispositivo basado en RFID que permita tener memoria almacenada. De esta forma se podría grabar datos en él mediante sistemas mucho más seguros y blindados contra ataques externos, así como implementar un protocolo a nivel de enlace que permitiera hacer la red mucho más segura. En cuanto al objetivo de hacer mejoras en las redes de corto alcance, planteamos un sistema receptor basado en campo magnético. Este receptor detecta variaciones en dicho campo cuando un transmisor emite información. La ventaja principal radica en dos puntos: por un lado, al tratarse de transmisión por campo magnético, la red puede desplegarse en medios dispersivos como el agua salada, llevando las redes de corto alcance e IoT a escenarios de aplicación no contemplados anteriormente, por otro lado, la antena receptora es un sensor magnético que detecta la señal de transmisión directamente y sin necesidad de que dicha señal module una portadora, esto permite que el sistema de comunicaciones sea mucho más versátil y optimizable en función de las condiciones en las que se establece el enlace. Todos los diseños llevados a cabo han seguido el mismo proceso: de la idea subyacente ha salido el marco teórico donde se ha pensado como aplicar los principios físicos a un futuro dispositivo o sistema. Después, se ha construido un primer prototipo válido para poder justificar la viabilidad de la idea de origen. Por último, se han hecho las mejoras necesarias para que el diseño funcionara de forma correcta y finalmente se han obtenido los últimos resultados y pruebas de validación, de cara a una posible futura publicación como artículo o patente. ----------ABSTRACT---------- In this PhD work we has aimed at the design, development and make systems and devices, based on magnetism, work, in different fields of electronic engineering, instrumentation and telecommunications. The document presented below is divided into all those areas where significant contributions have been made during the investigation period. The objective was, from the beginning, to combine the knowledge acquired in engineering with the existing needs in scientific research environments related to materials engineering, extra-planetary research of magnetic properties, improvements in certain sensitive aspects related to personal safety or development and deployment of new networks for hyperconnected societies. The multidisciplinary nature that this work has taken is a significant test of the many applications that magnetism can have, as the main basis on which new devices or improvements of existing ones are based. From the point of view of scientific research, the study of magnetic properties is allowing materials engineering to open the way in the investigation of behaviors in the field that until now had not been addressed and that are allowing the development of new physics, being a clear example of spintronics and the development of nanomaterials. There are countless devices used for the safety of people, load traffic and border control and sensitive areas. But many of these devices are manipulable or have failures that can seriously compromise the integrity of people or countries. Many are based on optical analysis and are a contribution of information that, although it is true that they have been improving over the years, in many cases they may be deficient. During the development of this work, the focus was on designing systems that would improve existing technology and could replace it or be a complement to it. Magnetic sensors were used to obtain information on vehicles in areas where it is necessary to carry out a control of them, especially taking into account that the laws and measures adopted by certain countries, at present, make it necessary to adopt much more measures thorough and accurate. We are currently in a model of society that tends to hyperconnection. In developed countries, almost the entire population lives through devices connected to other devices, drawing contact networks where data and personal information has ceased to belong to the individual to become data within a large cloud being accessible almost In its whole. This is allowing interaction with the environment much more fluid, and human since electronic devices that have so far been isolated from our environment, have become an integral part of it and are knowledgeable about the amount of information sufficient to “talk ”with us. The improvement of short-range networks, the emergence of the “Internet of Things” paradigm, the centralization of citizen services in the mobile phone, the emergence of faster and safer communication systems and endless improvements in devices and technologies are bringing a series of obvious advantages: smart cities, home automation, autonomous cars, total and global human connectivity, new business models, freedom of movement, new learning methods, etc. But they also have underlying problems: problems related to the hacking of sensitive information, commercialization with private data, individualistic and isolated societies, lack of regulation in the new professions, etc. In the last part of the PhD work we have focused on proposing alternatives to improve certain characteristics that have to do with how short-range networks, focused on IoT, and how are the devices that are part of these networks. We wanted to improve the security of these deployments by designing an RFID-based device that allows for stored memory. In this way, data could be recorded on it through much more secure and shielded systems against external attacks, as well as implementing a link-level protocol that would make the network much more secure. Regarding the objective of making improvements in short-range networks, we propose a receiver system based on magnetic field. This receiver detects variations in that field when a transmitter emits information. The main advantage lies in two points: on the one hand, since it is a magnetic field transmission, the network can be deployed in dispersive media such as salt water, taking short-range and IoT networks to application scenarios not previously contemplated, on the other, the receiving antenna is a magnetic sensor that detects the transmission signal directly and without the need for said signal to modulate a carrier, this allows the communications system to be much more versatile and optimizable depending on the conditions in which it is established the link. All the designs carried out have followed the same process: from the underlying idea the theoretical framework has emerged where it has been thought of as applying the physical principles to a future device or system. Afterwards, a valid first prototype has been built to justify the viability of the idea of origin. Finally, the necessary improvements have been made so that the design works correctly and finally the latest results and validation tests have been obtained, in view of a possible future publication as an article or patent.

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Item ID: 57558
DC Identifier: http://oa.upm.es/57558/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:57558
DOI: 10.20868/UPM.thesis.57558
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 07 Jan 2020 08:43
Last Modified: 07 Jul 2020 22:30
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