Electromagnetic system based on Long Range Wireless Technology (LoRa) for monitoring the Chiles – Cerro Negro Volcanic Complex

Sistema Electromagnético basado en Tecnología Inalámbrica de Largo Alcance (LoRa) para Monitoreo del Complejo Volcánico Chiles – Cerro Negro

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Resumen (en)

A system has been designed for monitoring the environment of the Chiles – Cerro Negro volcanic complex in Ecuador, composed of electromagnetic field sensors and long-distance wireless transmission technology with low energy consumption called LoRa (Long Range). Additionally, a time division multiple access (TDMA) communication method has been used, which helps reduce the probability of collision and improve the reliability of data transmission of a standard LoRa network. First, system tests were carried out by quickly uploading data to the terminal located from 500 meters to 3 kilometers from the Gateway LG01-P, observing that the packet loss rate was reduced by 11%. These tests motivated the installation of the system at a point closer to the volcano, choosing the “Chiles2” station as a reference at the coordinates 0.802470 latitude and -77.917900 longitude. The data is collected in a .csv file and sent from the “Chiles2” station to the Tulcán Prefecture. Since there are 15 kilometers between these two points, Yagi antennas were placed to enhance the LoRa wireless transmission and ensure communication with the LG01-P Gateway. The .csv files are read with a program developed in LabVIEW and the signal is processed with a moving average filter of order 7. This has allowed obtaining a filtered and clean signal that will be used for later analysis and information processing. Likewise, these results show that the magnetometric sensors acquire measurements within the expected range and that LoRa wireless technology can be used for signal transmission. Finally, from the measurements obtained in the geothermal area of the Chiles volcano, different anomalies in the magnetic field could be observed, especially when high seismic events or activities occur. In this sense, the data obtained in this project will be analyzed in conjunction with other monitoring parameters, such as seismic activity, etc., and a more complete image of the activity of the volcanic complex under study will be obtained. Finally, this document presents the final results that have allowed the Geophysical Institute of the National Polytechnic School to obtain the measurement of the magnetic fields produced during the seismic activity of the Chiles – Cerro Negro volcanic complex in the period October 2022.

Resumen (es)

Se ha diseñado un sistema para monitoreo del entorno del complejo volcánico Chiles – Cerro Negro en Ecuador compuesto por sensores de campo electromagnético y tecnología de transmisión inalámbrica de larga distancia con bajo consumo de energía denominada LoRa (Long Range). Adicionalmente se ha utilizado un método de comunicación de acceso múltiple por división de tiempo (TDMA) que ayuda a reducir la probabilidad de colisión y mejorar la confiabilidad de la transmisión de datos de una red LoRa estándar. Primero se realizaron pruebas del sistema mediante la carga rápida de datos al terminal ubicado desde 500 metros hasta 3 kilómetros de la puerta de enlace Gateway LG01-P observando que la tasa de pérdida de paquetes se reduce en un 11%. Estas pruebas motivaron a instalar el sistema en un punto más cercano al volcán, eligiendo referencia la estación “Chiles2” en las coordenadas  de latitud y  de longitud. Los datos son recopilados en un archivo tipo .csv y enviados desde la estación “Chiles2” hasta la Prefectura de Tulcán. Debido que entre estos dos puntos existen 15 kilómetros de distancia, se colocaron antenas Yagi para potenciar la transmisión inalámbrica LoRa y garantizar la comunicación con el Gateway LG01-P. Los archivos .csv se leen con un programa desarrollado en LabVIEW y la señal es procesada con un filtro de promedios móviles (moving average) de orden 7. Esto ha permitido obtener una señal filtrada y limpia que servirá para un posterior análisis y tratamiento de información. Así mismo, estos resultados evidencian que los sensores magneto métricos adquieren mediciones dentro del rango previsto y que se puede utilizar tecnología inalámbrica LoRa para la transmisión de señales.

Finalmente, de las mediciones obtenidas en la zona geotérmica del volcán Chiles se pudo observar distintas anomalías en el campo magnético, especialmente cuando se producen eventos o actividades sísmicas elevadas. En ese sentido, los datos obtenidos en este proyecto serán analizados en conjunto con otros parámetros de monitoreo, como la actividad sísmica, etc. y obtener una imagen más completa de la actividad del complejo volcánico en estudio. Por último, en este documento se presentan los resultados finales que han permitido al Instituto Geofísico de la Escuela Politécnica Nacional obtener la medición de los campos magnéticos producidos durante la actividad sísmica del complejo volcánico Chiles – Cerro Negro en el periodo octubre de 2022.