311

Development and implementation of a wireless monitoring system for atmospheric variables with free software and hardware tools

Desarrollo e implementación de un sistema inalámbrico de monitoreo de variables atmosféricas con herramientas de software y hardware libre

Charlotte Burbano L.1, Cristian E. Gamboa2, Carlos W. Sánchez3

1cmburbano001@unicatolica.edu.co, cegamboa@unicatólica.edu.co2, cwsanchez@unicatolica.edu.co Fundación Universitaria Católica Lumen Gentium

Cali, Colombia

Artículo de Investigación

Abstract

Environmental pollution is a growing problem in modern society; we generate more waste that what can be recycled, and constantly emit pollutant gases that deteriorate our atmosphere, creating situations of risk to human health. The people of our time have been determined to return to the atmosphere greenhouse gases that were absorbed by plants and animals in the Paleozoic era (between 430 and 370 million years) that were settled for centuries underground. The use of fossil fuels in industrial activities is one of the main causes of air pollution, and every year it generates considerable amounts of CO2 and CO. The city of Cali and specifically the sector of Pance, is no stranger to this problem. This promotes the materialization of a project that consists in the development and implementation of a monitoring system for atmospheric variables, that is both scalable and economic, based on free software and hardware tools, as those offered by Arduino and of easy access as those by Raspberry Pi Foundation. This, with a prospective of increasing accessibility to these technologies by the companies interested in studies of gas emissions. The system is composed of two modules, one for registry of the gases variability and other for data transference and processing, which in coordination with a common computer can capture gaseous elements concentrations in a particular space for long periods for later analysis. This tool provides companies with a system for the atmospheric variables diagnosis from fixed sources, which allows them to make decisions in stages prior to visits by entities that regulate the emissions levels produced by this type of business. It is then, this document's purpose to show the methodology for carrying out the proposal and its reproduction. Finally, it will show an experimental case carried out on the Fundación Universitaria Católica Lumen Gentium to prove its effectivity.

Keywords: Arduino, Atmospheric monitoring, Raspberry Pi, Wireless. Resumen

La contaminación medio ambiental es un problema creciente en la sociedad moderna, se genera más basura de la que se puede reciclar y constantemente se emiten gases contaminantes que deterioran la atmósfera, creando situaciones de riesgo para la salud humana. El hombre moderno se ha empecinado en devolver a la atmosfera gases de efecto invernadero que fueron absorbidos por plantas y animales en la era paleozoica (entre 430 y 370 millones de años) y que por siglos fueron sedimentados bajo tierra. El uso de combustibles fósiles es uno de los principales causantes de la contaminación atmosférica, produciendo así considerables cantidades de CO2 y CO cada año. La ciudad de Cali, específicamente el sector de Pance, no son ajenos a esta problemática, lo que impulsa la materialización de un proyecto que consiste en el desarrollo e implementación de un sistema de monitoreo de variables atmosféricas escalable y económico, basado en el uso de herramientas de software y hardware libre como las ofrecidas por Arduino y de fácil acceso como las de Raspberry Pi Foundation con la prospectiva de aumentar la accesibilidad a estas tecnologías por parte de las empresas interesadas en realizar estudios de emisiones de gases. El sistema está compuesto por dos módulos, uno de registro de variabilidad de gases y el otro, de transferencia y tratamiento de datos, que en articulación con un computador común es capaz de captar las concentraciones de estos elementos, en un espacio determinado, por prolongados periodos para posteriormente ser analizados. Esta herramienta es construida para brindar a las empresas un sistema para el diagnóstico medio ambiental de fuentes fijas, que le permita a estas tomar decisiones en estadios previos a visitas de entidades de control ambiental que regulan las emisiones de este tipo de negocios. Es entonces como, mediante este documento se pretende, mostrar de manera clara, a metodología para la realización y reproducción de la herramienta propuesta. Y finalmente, se presentará un caso experimental llevado a cabo en la Fundación Universitaria Católica Lumen Gentium para comprobar el funcionamiento del sistema desarrollado, teniendo en consideración las variables medioambientales de nivel de dióxido de carbono, temperatura y humedad relativa, ofreciendo de esta manera un diagnóstico previo de la situación de emisión de gases, lo que les permitió tomar correctivos ante una posible visita.

Palabras clave: Arduino, Monitoreo atmosférico, Inalámbrico, Raspberry Pi.

© 2017. IAI All rights reserved

Actas de Ingeniería Volumen 3, pp. 311-319, 2017

http://fundacioniai.org/actas

312

1. Introducción El monitoreo ambiental es una de las labores más

importantes al momento de hacer gestión ambiental, esto por parte de las entidades tanto públicas como privadas. Según The Rockefeller Foundation, esta actividad no es un fin por sí mismo, sino un paso esencial en los procesos de administración del ambiente [1]. La definición de Andrew Sors de 1987 aún se encuentra vigente, y plantea que el monitoreo ambiental es el sistema continuo de observación de medidas y evaluaciones para propósitos definidos; una herramienta importante en el proceso de evaluación de impactos ambientales y de programas de seguimiento y control [2].

Su importancia radica en que a través del mismo se pueden determinar condiciones actuales, tendencias, entender el comportamiento de los fenómenos, validar y/o calibrar los modelos ambientales, hacer predicciones a corto plazo, hacer evaluaciones a largo plazo, optimizar la utilidad costo-eficiencia de las anteriores, llevar controles y lo que es más significativo, tomar decisiones objetivas e informadas. Para realizar el monitoreo, se usan sistemas conformados por sensores y redes de comunicación de datos, que captan las variables y la transmiten a estaciones de análisis dónde personal capacitado estudia el comportamiento de las mismas en el medio, y con esto se genera información que resulta pertinente para las entidades interesadas en realizar control y seguimiento acerca de la contaminación por la cual son responsables. Una institución interesada en incursionar en este campo es la Fundación Universitaria Católica Lumen Gentium de la Ciudad de Cali.

Unicatólica es una institución joven, con un poco más de veinte años de fundada, cuya visión consiste, particularmente, en brindar formación de alta calidad a miembros de las comunidades de la región, que no pueden acceder a educación universitaria en entidades privadas de alto costo. Debido a esto y a una eficiente gestión y mejora de la calidad académica, se ha generado un constante crecimiento tanto la población estudiantil, como la operativa y la administrativa de la institución, de tal manera que en los últimos años el estudiantado se ha duplicado y actualmente se cuenta con una cantidad superior a 7000 individuos. Todos acuden a las diferentes sedes de la institución en las tres jornadas, lo que significa que existe una actividad ininterrumpida desde la madrugada hasta altas horas de la noche. En este sentido, se justifica la preocupación del impacto ambiental que tiene la institución en la región debido a las actividades cotidianas que se llevan a cabo y que

generan consigo flujo vehicular elevado, grandes cantidades de basuras, excesivo consumo de agua y emisiones de CO2, entre otros. Es por esto, que iniciativas que busquen determinar el grado de contaminación, son de vital importancia en el desarrollo de Unicatólica, y es precisamente ese el objetivo del presente proyecto. Mediante el sistema desarrollado se monitorean variables atmosféricas generadas en una fuente fija y estas permiten establecer si la misma se encuentra entre los parámetros establecidos por la normativa nacional vigente. En este sentido, la prueba piloto del sistema se desarrolla en la cafetería central de la sede Pance de Unicatólica, que presta servicios durante todo el día a toda la comunidad universitaria. Esto representa un diagnóstico que previene a la empresa de ser un agente excesivamente contaminante y le aporta fundamentos para tomar medidas preventivas o correctivas con respecto a sus niveles de emisiones. Todo esto se traduce, finalmente, en un ahorro económico para la cafetería y una mejor calidad del aire para las personas que frecuentan los espacios circundantes.

2. Dispositivos de monitoreo de variables ambientales en el mercado

A fin de conseguir procesos de combustión que consuman menos insumos y que sean además más respetuoso con el medio ambiente, los fabricantes de maquinaria industrial utilizan, cada vez con mayor frecuencia, dispositivos de monitoreo de gases, que a su vez les permiten llevar control sobre la eficiencia de los procesos llevados a cabo y las emisiones que están generando. A pesar de que actualmente es posible encontrar una gran cantidad de herramientas tecnológicas para registrar partículas gaseosas, de diferentes composiciones químicas dirigidas a una gran parte de sectores y procesos industriales, estas aún presentan costos elevados en cuanto a su adquisición e implementación, lo que supone una alta reticencia por parte de muchas empresas, especialmente pequeñas y medianas, interesadas en hacer seguimiento del impacto que ocasionan, pero sin los medios para realizar inversiones de este tipo. De aquí surge la propuesta del diseño y desarrollo de un sistema de monitoreo de variables atmosféricas de bajo costo, escalable y con aplicabilidad en fuentes fijas, que permita realizar estudios de emisión de gases de forma alternativa. Para tener un mayor entendimiento de los costos que implica la adquisición de estos dispositivos, se hizo una búsqueda de los precios actuales y teniendo en cuenta la inclusión de diversas compañías (Tabla 1).

Tabla 1. Precios para los dispositivos de medición de gases en el mercado [3-6]

Ref. Elemento Variable Partes por Millón Euros COP 0632 1240 Sonda de Medidor de gas CO2 10.000 ppm 646 2’120.644 TESTO 330-1 LL Sonda Medidor de gas CO2 10.000 ppm 965 3’167.834 PCE-AC 2000 Medidor de gas CO2 3.000 ppm 485 1.592.124 TESTO-327-1) Medidor de gas CO 4.000 ppm 309 1’014.364 CC-C-30 Medidor de gas CO 300 ppm 167 548.216 TETRA-MINI Medidor de gas CO-CH4 500 ppm 646 2’120.644 TESTO 316-1 Medidor de gas CH4 10.000 ppm 395 1’296.678 TESTO 330-1 LL Célula de medición NOX 3.000 ppm 759 2’491.592 TESTO 330-1 LL Sonda Medidor de gas NOX 3.000 ppm 965 3’167.834 HM45 Temperatura y humedad T y Hr. C°- 100 % 480 1’575.710

Nota: Los valores mencionados no incluyen impuestos ni costos de envío

313

3. Diseño y desarrollo del Sistema

Según The Free Software Foundation utilizar software libre es hacer una elección política y ética, debido a que hace valer el derecho de aprender y compartir lo que se ha aprendido con otros. El software libre se ha convertido en el fundamento de una sociedad de aprendizaje en el que se comparte conocimiento de una manera que otros puedan construir y disfrutar[1]. Las herramientas de software libre son aquellas que respetan la libertad de los usuarios y la comunidad. A grandes rasgos, significa que los usuarios tienen la libertad de ejecutar, copiar, distribuir, estudiar, modificar y mejorar el software [2].

En cuanto al hardware libre, se comparte el mismo concepto, en este caso las especificaciones esquemáticas y diagramas son de acceso público. Según su fundador Richard Matthew Stallman, investigador del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) y sus impulsores, su objetivo es fomentar el crecimiento y participación de forma equitativa y colaborativa[3]. Para seguir dicha filosofía, en el presente proyecto se hará uso de este tipo de herramientas entre las cuales cabe mencionar Arduino, diseñada para que la utilicen personas con poco o ningún conocimiento en electrónica o programación. Es una multiplataforma de bajo costo y fácil de programar. Además de eso, es de código abierto y extensible y cuenta con su propio entorno y lenguaje de programación[4]. A propósito de estas tarjetas, Raspberry Pi, es un ordenador de placa reducida cuyo diseño se centra en un sólo procesador central (CPU) ARM1176JZF-S de 700 MHz y todas las demás características de un computador funcional en una sola tarjeta, por lo cual se utiliza para el desarrollo de procesos en los que se requiera automatización [5]. La integración de estas herramientas constituye entonces el funcionamiento del sistema propuesto, este se muestra en la Figura 1.

4. Costos de Desarrollo

Si bien los precios mostrados en la Tabla 1, no se consideran muy altos para grandes compañías con altos niveles de utilidades, los mismos pueden resultar inaccesibles para empresas más pequeñas o que están empezando a organizar sus procesos productivos. Para incorporar actividades de gestión ambiental, control de desperdicios y control de emisiones pueden idearse alternativas basadas en tecnologías libres. Mediante la integración de sensores con especificaciones reducidas,

módulos de comunicación y tarjetas electrónicas con microcontroladores y microprocesadores se obtienen herramientas para el monitoreo, sin necesidad de incurrir en los costos excesivos presentes en el mercado. Es así como el sistema de monitoreo de variables atmosféricas desarrollado se constituye de manera que se conforme un módulo de registro de gases, compuesto por una serie de sensores de gases de la serie MQ y DHT, una placa Arduino y una antena de radiofrecuencia, alimentado por una batería de ion de litio y un módulo siguiente que consta de la placa Raspberry Pi, antenas de radiofrecuencia y Wifi, y otra batería del mismo tipo.

Figura 1. Esquema del sistema de monitoreo de variables

Este sistema es escalable y puede captar

concentraciones de diversos gases según los sensores que le sean instalados, sin embargo, en este primer acercamiento solo se realiza el ejercicio para que el módulo de registro de variables sea capaz de captar concentraciones monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2) y metano (CH4), entre las 300 ppm y 10000 ppm, la humedad relativa (Hr) y la temperatura (T). Los componentes necesarios para el desarrollo se encuentran enlistados en la Tabla 2, donde los costos comerciales de estos componentes representan únicamente un 14% de lo que cuesta una sonda medidora de gases a nivel comercial, que en ocasiones solo es capaz de medir la concentración de una variable gaseosa. En este sentido, mediante la elaboración propia de este sistema, las personas interesadas en realizar las mediciones de las emisiones de gases que sus compañías están generando, pueden percibir un ahorro de aproximadamente el 85%.

Tabla 1. Precios comerciales de los componentes del sistema de monitoreo de gases

Elemento Uso COP MQ4 Captación CH4 20000 MQ7 Captación CO 34000 MQ135 Captación CO2 - NOx 26000

DHT22 Captación H20 - T 20000

Arduino Uno x 2 Acople de sensores y RF 110000 Raspberry Pi B Recibo y Análisis de datos, acople RF y Wifi 120000 Módulo Wifi ESP8266 Cargar datos a la WEB 15000

Antena RF (x2) Transferencia de datos 42000 Batería Li-ion recargable (x2) Alimentación de poder 40000 Baquelita universal Ensamble de sensores 8000 Cable Conector de pines 7000

Total 442000

314

5. Composición electrónica Sensores de la serie MQ: Son sensores de gas que

utilizan un pequeño calentador en el interior con un sensor electroquímico. Son sensibles para una gama de gases (óxidos de carbono, óxidos nitrosos, metano, butano, alcohol, etanol, hidrógeno, gas licuado de petróleo, amoniaco, benceno y propano, entre otros) y se utiliza en espacios cerrados a temperaturas no superiores a 60°C. Estos sensores no se constituyen de componentes electrónicos, por lo tanto, pueden ser usados con corriente alterna (AC) o corriente continua (DC). El voltaje para el calentador interno es importante, algunos sensores utilizan 5V y otros 2V, este se puede crear con una señal de modulación de pulso (PWM), utilizando una entrada analógica y un transistor [12].

Sensores DHT: Los DHT-22 utilizan un condensador de polímero para detectar la temperatura y la humedad, en rangos que varían la medición de la temperatura del aire entre -40 Y 80 grados centígrados y la humedad relativa entre 0 y 100%. Los sensores DHT-22 tienen cuatro pines, pero sólo tres se utilizan y cuentan con un rango de potencia de 3,3V a 6V [10].

Arduino UNO: Es una tarjeta de circuito programable, la cual cuenta con un microcontrolador ATmega328P. Cuenta con 14 pines digitales de entrada/salida (de los cuales 6 se pueden ser usados como salidas PWM), 6 entradas analógicas, un cristal de cuarzo de 16 MHz, una conexión USB, un conector de alimentación, una cabecera ICSP (In Circuit Serial Programming) y un botón de reinicio. Tiene un puerto USB para la conexión a la corriente con un adaptador o a una batería [12].

Raspberry Pi 2 Model B: Es un mini ordenador de tamaño reducido, que cuenta con un procesador 900MHz ARM Cortex-A7 CPU, memoria RAM de 1GB, un núcleo gráfico VideoCore IV 3D, 4 puertos USB, 40 pines de entrada/salida de propósito general, un puerto HDMI, un puerto de Ethernet, un puerto de audio de 3.5mm, una interfaz de cámara (CSI) y un puerto Micro SD [13]. Cuando se trata del uso de la Raspberry Pi se resaltan siempre las ventajas que esta herramienta presenta a sus usuarios, entre las cuales se encuentra su portabilidad y pequeño tamaño, la velocidad de procesamiento y la capacidad de ejecutar múltiples programas simultáneamente, es decir, esta placa funciona como un computador convencional. Sobre esta pueden ser montados los sistemas operativos del rango completo de ARM/GNU Linux y Windows 10 debido al procesador con el que cuenta. Sin embargo, el sistema operativo recomendado es el Raspbian, este es libre y está basado en Debian, además de eso cuenta con más de 35.000 programas pre-compilados de fácil instalación [14].

Módulo Wifi ESP8266: El módulo Wifi serial ESP8266 es capaz de funcionar como “adaptador

de red” en sistemas basados en microcontroladores. Cuenta con reguladores y unidades de manejo de energía integradas, un procesador de 32 bits y además es de bajo consumo de energía. (<10 uA). Permite al usuario delegar todas las funciones relacionadas con Wifi y TCP/IP del procesador que ejecuta la aplicación principal a su vez que puede ser utilizado como procesador de aplicaciones [15].

Módulo RF24L01: Son módulos de radio que están basados en el chip Nordic Semiconductor nRF24L01+. Tiene operación de banda ISM (Industrial, Scientific and Medical) de 2,4 GHz en todo el mundo, hasta 2 Mbps de velocidad de datos del aire y operación de potencia ultra baja, además de un chip regulador de voltaje integrado y rango de suministro de poder de 3.6 V [16].

Batería Li-ion recargable 5.3V-1A: Son dispositivos de almacenamiento de energía eléctrica basados en el uso de electrolitos de sal de litio. Tiene una capacidad de 2600mAh, potencia de salida de 5W, entrada nominal de 5V-1000mA y salida nominal de 5,3-1000mA, su tiempo de carga es de 3 horas y funciona adecuadamente en condiciones de temperatura de 0-25°C y humedad relativa de 25%-75% [17].

6. Ensamble del Sistema

Para el armado del módulo de registro de variables

atmosféricas, los sensores MQ y DHT son conectados a la plataforma Arduino, lo mismo se hace con una de las placas de radiofrecuencia, la cual sirve para enviar los datos captados al siguiente módulo. Para el módulo de transmisión de datos, es necesario acoplar el dispositivo de radiofrecuencia restante a la placa Arduino restante y este a su vez a la Raspberry Pi Model B, lo mismo se hace con el dispositivo Wifi, es así como los datos pueden ser recibidos desde el |módulo 1 y enviados a la web. Estos circuitos pueden observarse de manera más clara en las Figuras 2 y 3.

Figura 2. Módulo de registro de variables atmosféricas

Figura 3. Módulo de transferencia de datos

315

Para proteger estas tarjetas y los sensores acoplados a las mismas, es necesario realizar dos diseños diferentes según las especificaciones del ambiente en el que cada módulo se implementa al momento de llevar a cabo las medidas ambientales. Por una parte, el módulo de Registro de Variables Atmosféricas, debido a la naturaleza de la actividad se encuentra en zonas con temperaturas altas, y cantidades considerables de humedad, para resguardar los componentes electrónicos el diseño considera una estructura cerrada herméticamente en aluminio la cual se muestra en la Figura 4. Por la otra, el siguiente módulo, que no se ve expuesto a condiciones ambientales agresivas consiste simplemente en el ensamble de una caja de material acrílico de 5 milímetros, expuesto en la Figura 5.

Figura 4. Módulo de registro de variables atmosféricas

Figura 5. Módulo de transferencia de datos

6.1 Módulo 1: Registro de variables atmosféricas

El sistema implementado en el módulo 1, encargado del proceso de registro de variables se presenta en la Figura 6.

Figura 6. Registro de variables atmosféricas en módulo 1

Este software se aloja en la tarjeta Arduino y permite

la recolección de datos enviados por cada uno de los sensores, para luego ser transmitidos, estableciendo la comunicación mediante radiofrecuencia, a los

dispositivos acoplados al módulo 2. Para esto, se inicia estableciendo los puertos, a través de los cuales se hace la transmisión con los sensores y la antena RF, luego recoge y agrupa los datos obtenidos por los sensores, para luego enviar cada una de estas cadenas hacia el Arduino receptor, perteneciente al módulo 2.

6.2 Módulo 2: Transferencia de datos

El sistema implementado en el módulo 2, proceso de

transmisión de datos, se presenta en los diagramas de las Figuras 7 y 8.

Figura 7. Registro de variables atmosféricas en el módulo 2

Figura 8. Recepción y transmisión de datos en el módulo 2

El software correspondiente al diagrama 2, se aloja en

la tarjeta Arduino, y se encarga de recibir las cadenas de datos enviadas por el Arduino descrito en el módulo 1. El software correspondiente al diagrama 3, se aloja en el miniordenador Raspberry Pi, y se encarga de recibir los parámetros de sistema control, organizar los datos obtenidos por el Arduino receptor y enviar, vía correo electrónico, el archivo resultante. Para esto, el sistema recibe los parámetros enviados por el sistema de control, con los cuales establece un lapso en el que se realizará la captación de datos, luego los ensambla en un archivo de texto, y, por último, envía dicho archivo a través de correo electrónico al usuario registrado.

316

7. Software del Sistema Teniendo en cuenta que la finalidad del dispositivo es

la obtención de los datos correspondientes a la concentración de las variables de CO2, CH4, CO, T y Hr, se hace necesario entonces, el uso de software que garantice la captación, comunicación, almacenamiento y posterior de envío de estos datos a la internet.

El módulo de captación se construyó implementando un conjunto de sensores analógicos de las series DTH y MQ junto con una tarjeta Arduino como fue anteriormente expuesto, la cual permite su control, el programa fue escrito en el entorno integrado de desarrollo propio de Arduino, basado en Processing y el lenguaje de programación basado en Wiring. Processing es un lenguaje de programación y entorno de desarrollo integrado de código abierto basado en Java, de fácil utilización, y que sirve como medio para la enseñanza y producción de proyectos multimedia e interactivos de diseño digital [18].

Por otra parte, Wiring es un entorno de programación de código abierto para microcontroladores, este permite escribir software multiplataforma para controlar dispositivos conectados a una amplia gama de tarjetas de microcontroladores para crear todo tipo de codificación creativa, objetos interactivos, espacios o experiencias físicas[19]. En esta etapa, los datos son capturados por los sensores y enviados al módulo 2 por medio de la antena de radiofrecuencia [20]. En el módulo de comunicación, compuesto por los dispositivos de wifi, radiofrecuencia y la Raspberry, los datos son recibidos en forma de cadena de caracteres, una vez separados, estos son almacenados en un archivo de tipo hoja de cálculo. Para esto se utilizaron archivos de tipo CSV que permiten almacenar datos en forma de tabla, separando los datos

por comas, los cuales permiten la creación y manipulación de documentos de tipo hoja de cálculo [21].

8. Pruebas en una fuente fija: Caso Unicatólica

El sitio escogido para la evaluación de desempeño del

sistema desarrollado fue la cafetería central de UNICATÓLICA, campus Pance, ubicada en Carrera 122 No. 12 – 459 de la ciudad de Santiago de Cali, una imagen de la fuente fija puede apreciarse en la Figura 9.

Figura 9. Fuente fija en la cafetería central de Unicatólica

El ejercicio realizado para comprobar el

funcionamiento del sistema consistió en la instalación del Módulo 1, Registro de variables atmosféricas, en la fuente fija (chimenea) de la cocina del restaurante. La Tabla 2 corresponde a las especificaciones de la prueba realizada el martes 29 de noviembre del año 2016.

La Tabla 2 corresponde a las especificaciones de la prueba realizada el martes 29 de noviembre del año 2016. Como se observa en la Tabla 2, se tomaron tres variables atmosféricas: temperatura, humedad relativa y concentración de dióxido de carbono. El registro de variables se dividió en dos jornadas 8:20 a.m. a 12:20 m (4 horas) y 2:30 p.m. a 6:30 p.m. (4 horas). En la jornada de la mañana se realizaron mediciones expuestas a continuación.

Tabla 2. Especificaciones del experimento de comprobación del sistema de monitoreo de variables atmosféricas

Lugar Fuente fija cafetería central de UNICATÓLICA sede Pance

Periodo ~28800 s (8 h)

Intervalo de Captación 10 s Variables Temperatura (T), humedad relativa(Hr), dióxido de carbono (CO2), tiempo (t) Datos obtenidos 11520 (2880 x variable)

La Figura 10 muestra los valores de concentración de CO2 medidos en la chimenea entre las 8:20 a.m. y 12:20 p.m. En esta jornada, se tiene una gran actividad en la cafetería ya que la cantidad de estudiantes es mayor y hay operaciones asociadas a la preparación del desayuno y el almuerzo. Esto se ve reflejado en las emisiones de CO2 con la mayor cantidad alrededor de los 420 ppm, este valor se encuentra ligeramente por encima del valor permitido según los estándares de emisión admisible de contaminantes al aire para actividades industriales y las aplicaciones del dióxido de carbono en la evaluación de la calidad del aire en medidas puntuales en Colombia, este valor límite corresponde a 400 ppm. Además, en la Figura 10, se observa como varia la temperatura y la humedad en la misma jornada, en ella se ven los picos generados por las actividades en la cocina del restaurante presentando un mínimo de 25,9% de humedad relativa a las 8:41 a.m., cuando el horno esta prendido en su máxima temperatura, y un máximo de 57,8 % de humedad relativa cerca de las 11:20 a.m. asociada a tiempos muertos del horno. La temperatura

tiene un comportamiento opuesto al de la humedad, un máximo de 50,3°C cerca de las 8:39 a.m. y un mínimo de 29,6°C a las 11:38 a.m., las fluctuaciones en la temperatura sugieren actividades no prolongadas de cocción de alimentos. Estas temperaturas son relativamente bajas para las actividades realizadas.

100

200

300

400

30

40

50

60

0 3600 7200 10800 14400

30

40

50

11:20 a.m. 12:20 p.m.9:20 a.m

t(s)

CO

2 (

ppm

)

420 ppm

93 ppm

Valor Nominal 400 ppm

t (hh:mm)8:20 a.m 10:20 a.m.

H. r.

(%

)

25,9%

57,8%Humedad Promedio Pance

T (

°C)

t(s)

50,3 °C

29,6°C

Figura 10. Registro de concentración de CO2, Hr. y T en la

chimenea de la cafetería central UNICATÓLICA entre las 8:20 a.m. y las 12:30 p.m. del martes 29 noviembre de 2016

317

En la jornada de la tarde se observa, según la Figura 11, que a las 4:30 p.m. se produce un pico máximo de emisión de CO2, esta es una hora en la que los estudiantes se reúnen en la cafetería saliendo de clase previos a iniciar la jornada nocturna, aumentando el consumo de los productos y servicios ofrecidos por la cafetería. Esta actividad genera una producción de emisiones de CO2 de 408 ppm un poco por encima de lo reglamentario. Este aumento en la emisión coincide con un aumento de la temperatura alrededor de 33,1°C, el máximo de la tarde, esto generado por la ausencia del sol de la mañana que contribuye al calentamiento de la fuente fija. En la Figura 11 se observan las medidas de temperatura con valores máximos de 33,1°C y mínimos de 28,9°C, valores muy cercanos, lo que implica que no hubo un proceso largo durante este tiempo que contribuyera al calentamiento de la fuente fija. La humedad relativa, registrada en la misma figura, con valores máximos de 58,1 % y mínimo de 47,7 %, demuestra que esta variable se mantuvo estable, al igual que la temperatura.

En la jornada de la tarde se observa, según la Figura 11, que a las 4:30 p.m. se produce un pico máximo de emisión de CO2, esta es una hora en la que los estudiantes se reúnen en la cafetería saliendo de clase previos a iniciar la jornada nocturna, aumentando el consumo de los productos y servicios ofrecidos por la cafetería. Esta actividad genera una producción de emisiones de CO2 de 408 ppm un poco por encima de lo reglamentario. Este aumento en la emisión coincide con un aumento de la temperatura alrededor de 33,1°C, el máximo de la tarde, esto generado por la ausencia del sol de la mañana que contribuye al calentamiento de la fuente fija. En la Figura 11 se observan las medidas de temperatura con valores máximos de 33,1°C y mínimos de 28,9°C, valores muy cercanos, lo que implica que no hubo un proceso largo durante este tiempo que contribuyera al calentamiento de la fuente fija. La humedad relativa, registrada en la misma figura, con valores máximos de 58,1 % y mínimo de 47,7 %, demuestra que esta variable se mantuvo estable, al igual que la temperatura.

100

200

300

400

45

50

55

60

0 3600 7200 10800 14400

30

32

6:30 p.m.5:30 p.m.4:30 p.m.3:30 p.m.

CO

2 (

ppm

)

408 ppm

2:30 p.m.

t(s)

t(hh:mm)

Hr.

(%

)

58,1%

47,7%

T(°

C)

33,1°C

28,9°C

Figura 11. Registro de CO2, Hr. y T en la chimenea de la

cafetería central de UNICATÓLICA entre las 2:30 a.m. y las 6:30 p.m. del martes 29 noviembre de 2016

9. Aplicaciones

Conocer el estado de variables atmosféricas en el

sector industrial es de vital importancia cuando se tiene en consideración que existen legislaciones que deben ser acatadas, con el propósito de que los países reduzcan sus emisiones de gases de efecto invernadero según los acuerdos internacionales a los cuales se encuentran

adscritos. Sin embargo, esta información depende estrictamente de una cadena compleja de generación y procesamiento de datos, los cuales dependen de la correcta utilización de recursos tecnológicos y humanos. Para esto se ven enlazados sistemáticamente sensores, servidores, antenas de comunicación, y mucho trabajo informático por parte de personal capacitado para realizar interpretación y análisis de los datos recopilados.

A grande escala, los sistemas de monitoreo atmosféricos funcionan como grandes redes de seguimiento del estado de la calidad del aire, que según el tamaño del territorio abarcado constan de estaciones de medición y de muestreo que registran datos de manera constante variables meteorológicas, entre las que se encuentran la velocidad del viento, dirección del viento, temperatura ambiente, humedad relativa, precipitación, radiación ultravioleta, y concentraciones de diversos elementos como gases y material particulado, estas últimas, expresadas en unidades volumétricas.

Esta información se concentra, se procesa, se valida y luego se publica. Posteriormente la misma alimenta las fuentes a las cuales la ciudadanía tiene acceso, sean páginas web, aplicaciones móviles, entre otras. En estos sitios generalmente se hacen comparaciones con respecto a la normatividad de cada circunscripción. Existen escalas correspondientes a los niveles de cada variable donde se señalan los valores nominales en los cuales las mismas deben encontrarse con la finalidad de cumplir los estándares para la protección de la salud pública.

A menor escala, los sistemas funcionan básicamente como indicadores meteorológicos para las compañías. Este mismo modelo puede ser aplicado incluso para realizar el monitoreo de diversas maquinas generadoras de gases que necesiten constante atención.

El sistema desarrollado está orientado a ser aplicado en cualquier tipo de industria que mediante sus actividades cotidianas ya sea a nivel industrial o comercial, lleve a cabo procesos generadores de gases de efecto invernadero y que tenga la iniciativa de aplicar acciones correctivas o preventivas con respecto a los impactos y efectos ambientales que tiene en su entorno. En este sentido, resuelve la necesidad existente en las pequeñas y medianas empresas de llevar control de los gases emitidos al aire sin tener que acudir específicamente a herramientas sofisticadas, a las cuales no tienen acceso por motivos económicos. Debido a la propia naturaleza interdisciplinaria del objeto del presente estudio, es de vital importancia unificar los conocimientos tanto de ciencias ambientales e ingenierías como de ciencias sociales. El reto para el enfoque de las actividades industriales sustentables consiste precisamente en llevar la dinámica de operación del sector industrial al principio de uso racional de los recursos naturales y respeto a la naturaleza, a la vez que cumple las normativas interpuestas por los entes responsables en cada territorio.

A nivel nacional, el Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial establece la Resolución número 610 del 2006, con modificación de marzo de 2010, y más

318

recientemente la de marzo del 2012, que establece la Norma de Calidad del Aire o Nivel de Inmisión. Aquí aparecen especificados los niveles máximos permitidos para contaminantes criterios, niveles máximos permisibles para contaminantes no convencionales con efectos Carcinogénicos y Umbrales para las principales sustancias generadoras de olores ofensivos, el procedimiento de medición de la calidad del aire, las disposiciones para las mediciones de la calidad del aire por la autoridades y la declaración de los niveles de prevención, alerta y emergencia por contaminación del aire, entre otros [22].

Es importante resaltar que los sensores utilizados no se encuentran calibrados, por lo tanto, los estudios realizados con este sistema no arrojan datos concluyentes para realizar procesos de certificación ambientales, sin embargo, las compañías elaboradoras y distribuidoras de estos componentes electrónicos, aseguran que el margen de error es de 5 unidades porcentuales, lo que significa que la información arrojada por los mismos constituye un importante indicador al momento de tomar medidas correctivas y preventivas, previas a los exámenes realizados por instituciones encargadas de otorgar certificaciones.

De igual manera, con el objetivo de proteger la integridad física del personal, este sistema puede utilizarse para establecer seguimiento y control sobre variables arrojadas por maquinaria de combustión dentro de complejos industriales en los cuales es común encontrarse con gases como el vapor de agua, monóxido de carbono, hidrocarburos, óxidos de nitrógeno y plomo. También es posible controlar ambientes cerrados que precisen de medidas ambientales estrictas para el correcto funcionamiento de la maquinaria. 10. Conclusiones

Aunque el sistema de monitoreo desarrollado no es

un equipo apto para certificación de empresas debido a que no cuenta con procesos de trazabilidad en la calibración, ofrece una perspectiva al propietario de la misma del estado de emisiones de CO2 que sus fuentes fijas liberan a la atmósfera. Esta información es de vital importancia dado que, para el caso experimental, en la cafetería central de UNICATOLICA, cuyo propósito fue la verificación del funcionamiento, se obtuvieron picos en la mañana y en la tarde que superan estrechamente el valor nominal que se espera para este tipo de empresas, sin embargo, estos valores son esporádicos, lo que significa una situación extraordinaria en la jornada en la cual labora la cafetería. Para determinar si estos picos se presentan de forma constate y subsecuentemente pueden acarrear consecuencias negativas para la entidad generadora, es necesario realizar un estudio prolongado en el que se reúnan datos suficientes para establecer medidas estadísticas que expliquen el comportamiento durante todos los días de las semanas considerando horas y días de mayor actividad.

En este sentido se puede afirmar que, a través del uso de herramientas de software y hardware libre es factible desarrollar un sistema de monitoreo de variables ambientales, en este caso variables atmosféricas, para ser adecuado en fuentes fijas, y como resultado de su

implementación, proveer a las compañías pequeñas y medianas de información pertinente que les permita ajustar las emisiones de gases de efecto invernadero que generan a raíz de sus actividades cotidianas.

Este sistema, a pesar de no ser calibrado y contar con procesos de trazabilidad, constituye un importante avance en materia tecnológica aplicada al cuidado medioambiental por parte de las empresas, debido a que sus costos de desarrollo y aplicación son considerablemente bajos en comparación con los sistemas convencionales que existen actualmente, mostrando incluso un ahorro económico de 85%. Por último, siguiendo la filosofía de software y hardware libre, el presente documento se organiza de forma que las personas interesadas en desarrollar sistemas similares tengan las herramientas adecuadas a nivel documental para realizarlos y de igual manera aportar a la evolución de los mismos mediante modificaciones y mejoras surgidas de sus experiencias. Agradecimientos

Este trabajo fue soportado parcialmente por el proyecto de convocatoria interna de la Fundación Universitaria Católica Lumen Gentium “Plataforma Robótica Para La Inspección De Ductos de Alcantarillado de diámetro superiores a 1m” identificado con el código FI-010106. Especial agradecimiento a Juan David Rivera Tibaduiza, y al profesor John Edward Ordoñez por su apoyo constante a lo largo de este desarrollo. Referencias [1] Sánchez J. et al. (1996). Estaciones de transferencia de

residuos sólidos en áreas urbanas. Inst. Nac. Ecol., p. 14. [2] [2] Sors A. (1987). Monitoreo y evaluación de impacto

ambiental. Centro Panamericano de Ecoogía Humana y Salud. México, p. 23, 1987.

[3] PCE Iberica S. (2016). Medidor de Gases KAT. Online [Feb 2017].

[4] Escoda, S. (2016). Instrumentación Portatil Digital Salvador Escoda S.A. Online [Feb 2017].

[5] KGaA, C. (2015). Sonda de medición de CO2 - para la calidad del aire en interiores, 2016. Online [Dec 2016].

[6] Vaisala (2015).HM45 Humidity and Temperature Meter for HVAC, with Remote Probe, 1.5%RH accuracy. Online [Nov 2016].

[7] Söderberg, J. (2008). Hacking Capitalism: The Free and Open Source Software Movement. Routledge Research in Information Technology and Society.

[8] Viñas, R. & Llinás, F. (2003). El Sistema Operativo GNU/Linux básico. Barcelona: Fundació per a la Universitat Oberta de Catalunya.

[9] Betancour, L. (2014). Cada niño podría ser un maestro del ‘software’: Walter Bender. El Tiempo.

[10] Gertz, E. & Di Justo, P. (2012). Environmental Monitoring with Arduino. USA: Maker Press.

[11] Zwetsloot, R. et al (2015). The Official Raspberry Pi Projects Book Magazine. Single Issue Magazine.

[12] Blum, J. (2013). Exploring Arduino: Tools and Techniques for Engineering Wizardry. USA: Wiley.

[13] Zwetsloot, R. et al (2016). The Official Raspberry Pi Projects Book Volume 2. Single Issue Magazine.

[14] Harrington, W. (2015). Learning Raspbian. UK: Packt Publishing.

[15] Espressif Systems IOT Team (2015). ESP8266 Datasheet. Espressif Systems.

319

[16] Nordic Semiconductor ASA (2007). Productos Nordic Semiconductor ASA. Online [Nov 2016].

[17] Easy Tech Now (2015). Rechargeable Batteries: everything You Need to Know. Online [Dec 2016].

[18] Reas, B. & Casey, F. (2014). Processing: A Programming Handbook for Visual Designers. USA: The MIT Press.

[19] Magda, Y. (2014). Arduino Interfacing and Signal

Processing. First. Amazon Digital Services. [20] Wiley, J. (2013). Exploring arduino tools and techniques

for engineering wizardry. Indianapolis: Wiley. [21] Dale K. (2016). Data visualization with python and

javascript. Sebastopol: O´Reilly Media, Inc. [22] MinAmbiente (2010). Resolución 610. Ministerio del

Medio Ambiente.