Johan Julián Molina M.1, Arcelia Gutiérrez M.2 y Pablo Arturo Muñoz3
En el presente estudio de investigación se desarrolló el diseño e implementación de un analizador básico de gases vehiculares (CO, CO, y HC) con comunicación inalámbrica e interpretación de mediciones en dispositivos con sistema operativo Android, cuenta con un sistema embebido que opera bajo la plataforma de Arduino capaz de llevar a cabo las diferentes tareas en el proceso de medición (Gas sensor board v2.0) y transmisión por WIFI (Wasp mote pro 1.2) de los datos entre el equipo y el dispositivo móvil del usuario.
Palabras clave: Protocolo, Transmisión inalámbrica. Equipo inteligente. Aplicación móvil. Medición.
In Tins study of investigation was development to desing and implementation a basic analyzer of vehicular gases (CO, CO, and HC) with wirelees connection and measure interpretation on mechanism with Android, operating system and tins have one system involved that operate on Arduino system be able to do differents functions in measuring process (Gas sensor board v2.0) and transmission on WIFI (Waspmote pro 1.2) of the dates between equipmente and mechanism mobile from the user.
Key words: Protocol, Wireless transmission. Device, Smartphone, Mobile application. Measurement.
Actualmente en Colombia, el 74% de la población identifica la contaminación del aire como uno de los problemas más serios en el país. La polución excesiva es a menudo causa de políticas públicas insostenibles en sectores del transporte, la energía, la industria y la gestión de residuos, además porque afecta directamente a la población. Genera aproximadamente 7000 casos de muertes prematuras anuales, 7400 nuevos casos de bronquitis crónica, 13000 hospitalizaciones por causa de enfermedad respiratoria crónica y 25 5000 visitas a salas de urgencia (Acevedo, et al., 2013); (Viceministerio del Medio Ambiente, 2014).
Dentro de todos los contaminantes existentes en la atmósfera, se identifican los que afectan la salud tan pronto se inhalan: monóxido de carbono (CO), dióxido de azufre (SO2), dióxido de nitrógeno (NO2), ozono troposférico (03) y compuestos volátiles orgánicos (VOC); además de éstos, se incluye al CO2 (dióxido de carbono) (Daniels, 2007).
La Organización Mundial de la Salud (OMS) presentó las últimas estadísticas sobre contaminación, que demuestran que una de cada ocho muertes en el mundo está relacionada con la exposición a ambientes contaminados. “Las cifras son sorprendentes, son dramáticas. Es por esto que en el mundo y en Colombia ha llegado la hora de tomar conciencia del desgaste que se le ha causado al medio ambiente por las emisiones de estos gases. La normatividad de emisiones por fuentes móviles y fij as (Decreto 948 de 1995), no ha sido implementada de la mejor manera en el territorio nacional pues no se realizan controles en cortos periodos de tiempo (Ministerio del Medio Ambiente, 2014); (Ministerio de Ambiente, 2007). Dentro de las fuentes móviles se encuentra que conducir un automóvil es la actividad más contaminante que la gente realiza diariamente, los vehículos a motor de combustión liberan millones de toneladas de contaminantes a la atmósfera cada año (Suarez, 2007).
Colombia cuenta con algunas empresas especializadas, cuya misión es realizar mediciones generales por medio de equipos especializados de alto costo, hoy en día con el auge de la tecnología se encuentran sensores adaptables a aplicaciones de monitoreo específico, que van a la par con la evolución de los sistemas de comunicaciones móviles y de las redes inalámbricas avanzadas, propiciando el uso de Redes de Sensores Inalámbricos (RSI) en múltiples ámbitos de interés (Diario Santo Domingo, 2007).
Estas redes están típicamente compuestas por dispositivos inalámbricos autónomos que incorporan sensores para la recolección de datos de distinta naturaleza, se caracterizan por su escalabilidad, ausencia de cableado, pequeño tamaño, bajo consumo de energía, gran variedad de magnitudes físico/químicas medibles, lo que las hace útiles en gran variedad de escenarios, como domótica, procesos industriales, logísticas, seguridad o ciudades inteligentes, agricultura, ganadería, medio ambiente, salud y entre otros (Gascón, 2010).
La Tecnología de bolsillo o dispositivos móviles inteligentes sumergieron a la sociedad en un interés y una dependencia hacia nuevas tecnologías de usabilidad que buscan facilitar la vida cotidiana de sus usuarios, a fomentar la comunicación directa, rápida y en la mayoría de los casos a simplificar el trabajo. Cada año hay una avalancha de nuevos modelos de telefonía más pequeños y con más recursos (cámara, vídeo, internet, juegos, aplicaciones, servicios de mensajería, entre otros.), este es el mejor ejemplo para entender las dimensiones de esta utilidad y su potencial para el desarrollo global (Tomás, 2013).
El propósito de esta investigación fue diseñar e implementar un analizador básico de gases vehiculares equipado originalmente con sensores de Dióxido de carbono (CO2), Monóxido de Carbono (CO), Compuestos Orgánicos Volátiles (VOC). Este dispositivo analizador está compuesto por sensorica de gases, una tarjeta de adquisición de datos encargada de interpretar los valores medidos por los sensores y transmisión de los mismos a través del protocolo WIFI al dispositivo móvil con sistema operativo Android (Smartphone) (Tomas, 2013). Aprovechando estas utilidades que brinda esta tecnología se desarrolló una aplicación de gran utilidad, innovadora, portátil y sencilla, cuya función es monitorear las emisiones vehiculares a las que están expuestos los seres humanos, para aportar a la protección y cuidado del medio ambiente.
En el siguiente diagrama de bloques figura 1, se identifican las etapas del sistema Analizador de gases:
Los sensores de detección de gases y vapores son transductores que usan ciertas propiedades de los
gases para la conversión en una señal eléctrica adecuada. En las décadas recientes cuatro principios de medición, se han hecho dominantes especialmente: resistivos, electroquímicos, perla catalítica y sensores infrarrojos (Draguer, 2010). Dichos sensores son de difícil consecución en nuestro país, el costo económico y de energía de la mayoría de estos sensores es muy alto, después de varios estudios se decidió adquirir la placa de gases 2.0 que brinda variedad de mediciones, bajo consumo y pequeño tamaño.
La placa de gases 2.0 implementada por la empresa española Libelium (Figura 2), fue diseñada para monitorizar parámetros ambientales como la temperatura, humedad, presión atmosférica y 14 tipos de gases diferentes.
Permite la inclusión de 6 sensores de gases al mismo tiempo, las variables utilizadas para este proyecto son:
El mercado de los microprocesadores y tarjetas de adquisición es muy amplio, el modelo que se usó para obtener compatibilidad con la tarjeta de gases fue la Waspmote (Figura 8), del mismo proveedor español Libelium, esta es una tarjeta que cuenta con un microprocesador Atmel ATmegal281, orientada al uso doméstico e industrial, también cuenta con un sistema de programación abierta con bajo consumo de energía, lo cual facilita su difusión, minimiza costos, existiendo documentación y referencia de ella en diferentes medios como revistas especializadas.
En la tabla 1 se indican las características generales del producto (Libelium, 2013).
Este dispositivo se basa en una interfaz de programación que fue desarrollada por Arduino, creando un dispositivo de bajo costo open-hardware de libre distribución. Se encarga de encontrar las concentraciones de los diferentes gases según el comportamiento dado por los sensores. Brinda diversas maneras de conexión inalámbrica, entre estas se encuentran módulos XBee - ZigBee, WiFi (Figúralo), Bluetooth, GSM/GPRS, 3G/GPS, RFID/NTC. Se pudo comprobar que la conexión que brindó mayor fiabilidad, versatilidad y cobertura en el lugar de la medición fue dada por el protocolo WiFi con el dispositivo móvil.
La topología de conexión Ad-hoc fue utilizada y configurada de tal forma que pudiera llevar a cabo la comunicación directa con los dispositivos Android sin necesidad de un enrutador intermediario (Waspmote, 2013).
Android brinda características con ventajas especiales, siendo una plataforma abierta basada en Linux se adapta a cualquier tipo de hardware, lo que garantiza portabilidad, maneja la filosofía de dispositivos siempre conectado a internet, nivel de seguridad aceptable, óptimo por el ahorro en el consumo de potencia eléctrica y uso de poca memoria, alta calidad de gráficos y sonido, cantidad de servicios incorporados como localización GPS, bases de datos, reconocimiento y síntesis de voz, navegador, multimedia, entre otras (Albarran, 2013).
Java, como lenguaje de programación es la base de las aplicaciones para sistemas operativos Android, por tal razón eclipse ADT como herramienta de desarrollo es recomendable, por ser libre y además esta soportada por Google. La Aplicación móvil consta principalmente de las siguientes características:
El método de calibración utilizado en cada uno de los sensores fue el de ensayo - error teniendo como referencia cada una de las gráficas de respuesta, y en el caso de los sensores de gas, se tomó como patrón el valor mínimo de concentración en partes por millón (ppm) de cada uno de los gases en el aire normalizado.
Después de ejecutar el acople entre la placa de gases y el Waspmote, se realizó la configuración de la red Ad-hoc en el móvil y la tarjeta de nombre “GasBasic Analyzer” con protocolo de seguridad WPAPSK, obteniendo un enlace estable, rápido y seguro. La aplicación en Android puede ser instalada desde la versión Gingerbread (v2.3) en adelante.
Se realizaron diferentes pruebas de funcionalidad y monitoreo en un ambiente controlado, con un tiempo para cada una de 20 minutos, la prueba demostrativa consistió en activar los dispositivos, luego realizar el enlace entre sistema embebido y dispositivo móvil por transmisión inalámbrica WI-FI, y también el enlace entre lataijeta controladora y computador por comunicación serial USB, los primeros datos obtenidos corresponden a la concentración normal del ambiente, al cabo de tres minutos se enciende un vehículo de combustión a gasolina a velocidad de crucero durante 12 minutos, y por último el vehículo se apaga dejando otros cinco minutos de receso, obteniendo como resultado los datos ilustrados en la figura (13)(14)(15).
A partir de los resultados obtenidos se infiere que el sistema funciona adecuadamente, demostrando un cambio drástico de concentración en los gases CO y VOC s (Figura 12), por ejemplo el CO nos muestra un valor inicial inferior a 50 (ppm) normal del aire y se somete a un cambio considerable a causa de la combustión del vehículo provocando un aumento hasta 600 (ppm). Se debe tener en cuenta que el monóxido de carbono es tóxico por la inhalación y no tiene propiedades de advertencia como el olor y el sabor, el monóxido de carbono afecta la habilidad del cuerpo para transportar moléculas de oxígeno a las células, y por ello es considerado un químico asfixiante, se mezcla fácilmente con el oxígeno que lleva proteína a la sangre (hemoglobina). La exposición al monóxido de carbono por encima de 1000 (ppm) puede causar pérdida de la conciencia incluso la muerte. Los síntomas típicos de la exposición por varias horas a niveles superiores (>50ppm) a los permisibles establecidos por la Administración de la Salud y Seguridad Ocupacio-nal (OSHA PEL) podrían incluir dolor de cabeza, náusea, vómito, mareo, debilidad, respiración acelerada, confusión mental, y un color rojizo en la piel (Ideam, 2007); (Martinez, 2007).
Se pudo observar una variación de la concentración de los compuestos orgánicos volátiles que son tóxicos, causantes de olor a combustible y producen picazón en los ojos y son grandes generadores de gases contaminantes. El Dióxido de Carbono no presento alteraciones y se conservó en los valores normales del aire, ya que el ensayo se realizó en un ambiente controlado y sólo había un vehículo en funcionamiento.
El resto de las variables como temperatura, humedad y oxígeno molecular no presentaron alteraciones significativas ya que el ensayo fue realizado en condiciones controladas.
Nuestro país cuenta con retos importantes en temas ambientales; como premisa se tiene que no se debe seguir contaminando el aire, los esfuerzos se deben aunar, realizando campañas de información, educación y comunicación a nivel nacional para lograr concienti-zar a la comunidad en general y a las empresas del daño que causan las emisiones de estos gases a la salud del ser humano y al medio ambiente, si bien se han implementado medidas para tener un control y un seguimiento más efectivo, las autoridades ambientales y los entes de control tienen barreras que frenan las medidas ambientales, entre esas el tema económico es un punto clave por esta razón hay que buscar instrumentos que se adapten a las necesidades prioritarias de los seres humanos y la sociedad, las cifras muestran a nivel mundial que de 7 millones de personas mueren anualmente en el mundo a causa de la contaminación ambiental, lo que convierte a la polución en el principal riesgo medioambiental para la salud, el presente estudio confírmalo importante que es incentivar proyectos de investigación en esta área pues se pueden obtener enormes beneficiosos a más bajo costo ya que el mercado nos presenta variedad de herramientas tecnológicas con versatilidad asimismo instrumentos para este tipo de estudios como: sensores, redes de comunicación, dispositivos móviles, tarjetas entre otros.
Gracias a esas ventajas se logró llevar a cabo la presente investigación, obteniendo como resultado la elección de las herramientas que ofrece la empresa española Libelium (Gases v2.0 y Waspmote vi .2) ya que cumplen con las características para satisfacer una necesidad específica, en este caso el analizador básico de gases contaminantes, también se logró adaptar esta placa al software (Aplicación a S.O Android) de monitoreo en tiempo real a través del dispositivo móvil Smartphone, lo cual es otra de las ventajas que presenta este proyecto pues este tipo de dispositivos móviles es utilizado aproximadamente por el 75% de la población que tiene telefonía celular (Tomas, 2013).
Los resultados arrojados por el innovador analizador básico de gases portable, son confiables, estables y reproducibles porque miden cada una de las variables contaminantes a las que nosotros los seres humanos estamos expuestos a diario sin tener una percepción consciente de esto y del gran impacto ambiental.
Por inconvenientes en el acceso a un centro de diagnóstico automotriz CDA, no se hizo un comparativo de validación de resultados con los equipos de gases que ellos utilizan, aunque no es garantía suficiente ya que en la pruebas finales del analizador, se verificaron los datos obtenidos experimentalmente con los datos mostrados en las tablas de especificaciones técnicas de los sensores certificados de la empresa Libelium.
Acevedo J., Bocarejo J. P, Tyler N., Velásquez J. M., 2013. Caracterización de la contaminación atmosférica en Colombia. University Collage London-Reino Unido, Universidad de los Andes-Colombia. Consultado el 10 de agosto del 2014. https://prosperityfund.uniandes.edu.co/
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Daniels, F., Martinez, E., Quinchia, Rigoberto., Morales, O. C., Marin, A. M., Arbelaez, M. P. Estudio de la calidad del aire en el valle de Aburra. 2007, Universidad de Antioquia. Medellin, Colombia.
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