Entwicklung eines Open-Source-IoT-Rissmonitoringsensors

Abstract

Risse in Bauwerken sind ein weitverbreitetes und mitunter sicherheitsrelevantes Phänomen, weshalb eine frühzeitige Erkennung und kontinuierliche Überwachung von großer Bedeutung ist. Als Alternative zu analogen Langzeitmonitoringansätzen existieren seit einigen Jahren digitale Systeme zur Beobachtung der Breitenänderung bestehender Risse. Jedoch stellt der hohe Preis kommerzieller Rissmonitoringsensoren, insbesondere für Forschungseinrichtungen und die Denkmalpflege, eine Herausforderung dar. In dieser Diplomarbeit wurde daher ein batteriebetriebenes, LoRaWAN-basiertes Sensorsystem entwickelt, das eine kostengünstige und anpassbare Alternative zu proprietären Produkten darstellt. Zwei unterschiedliche Risssensorprototypen – basierend auf einem eigens konstruierten, 3D-druck\-baren Seilzugsensor und einer Kapazitiv-Encoder-Messuhr – wurden in umfangreichen Labor- und Feldtests auf Messgenauigkeit, Langzeitverhalten und Energieeffizienz untersucht. Der entwickelte Seil\-zug-Rissensor erreichte bei einem Messbereich von 55~mm eine absolute Genauigkeit von unter 0,1~mm mit einer Auflösung von 16~μm. Die Genauigkeit und die Auflösung der Messuhr, einem kommerziell erhältlichen Produkt, betrug in den Tests 10~μm bei einem Messbereich von 26~mm. Die Ergebnisse zeigen, dass beide Lösungen für das Bauwerksmonitoring geeignet sind und mit Materialkosten von 50~€ für den Seilzug-Risssensor bzw. 65~€ für den Messuhr-Risssensor einen erheblichen Kostenvorteil bieten. Im Vergleich zu bestehenden Systemen ermöglicht die vollständige Offenlegung von Hardware-Design und Quellcode eine transparente Überprüfung und einfache Weiterentwicklung. Damit leistet diese Arbeit einen Beitrag zur Etablierung offener, erschwinglicher Sensortechnologien im Bereich des Structural Health Monitoring und legt die Grundlage für deren Einsatz in weiteren Anwendungsfeldern. Gleichzeitig erfordert vor allem der Seilzugsensor weiterführende Untersuchungen zur Temperatur- und Driftkompensation. Alle Hardware-Designs sowie der Quellcode wurden gemeinsam mit den Anleitungen zum Bau und zur Inbetriebnahme der Risssensoren unter der MIT-Lizenz veröffentlicht und sind über folgenden Link abrufbar: www.donau-uni.ac.at/diss/openscience

Cracks in buildings are widespread and can pose significant safety concerns, making early detection and continuous monitoring essential. As an alternative to analog long-term monitoring approaches, digital systems for tracking changes in the width of existing cracks have been available for several years. However, the high cost of commercial crack-monitoring solutions remains a major challenge, especially for research institutions and heritage conservation. This master's thesis addresses this challenge by presenting a battery-powered, LoRaWAN-based sensor system that offers a cost-effective and adaptable alternative to proprietary products. Two different crack sensor prototypes – based on a custom-designed, 3D-printable draw-wire sensor and a capacitive encoder dial indicator – were evaluated in extensive laboratory and field tests with respect to measurement accuracy, long-term performance, and energy efficiency. The developed draw-wire crack sensor achieved an absolute accuracy of less than 0.1~mm with a resolution of 16~μm over a measurement range of 55~mm. In the tests, the accuracy and resolution of the digital dial indicator, a commercially available product, were found to be 10~μm over a measurement range of 26~mm. The results demonstrate that both solutions are suitable for structural monitoring and offer a significant cost advantage, with material costs of 50~€ for the draw-wire crack sensor and 65~€ for the indicator crack sensor. Compared to existing systems, the complete disclosure of hardware designs and source code enables transparent validation and straightforward further development. Thus, this thesis contributes to the establishment of open, affordable sensing technologies in the field of structural health monitoring and lays the foundation for their use in additional application areas. At the same time, the draw-wire sensor requires further investigation regarding temperature and drift compensation. All hardware designs and source code, along with instructions for assembly and commissioning of the crack sensors, have been released under the MIT License and can be accessed via the following link: www.donau-uni.ac.at/diss/openscience