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Diseño y construcción de un dispositivo
electrónico de medición que determine la calidad
del agua del río Guatiquía de la ciudad de
Villavicencio
Andrés Elías Jiménez Lagos Diego Felipe Arbeláez Romero
María Paula Niño Molina
Martín Esteban Villalba Romero
Fundación Universitaria Compensar
Facultad de Ingeniería, Ingeniería de Telecomunicaciones
Villavicencio, Colombia
2020
Diseño y construcción de un dispositivo
electrónico de medición que determine la calidad del
agua del río Guatiquía de la ciudad de Villavicencio
Andrés Elías Jiménez Lagos
Diego Felipe Arbeláez Romero María Paula Niño Molina
Martín Esteban Villalba Romero
Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar al título de:
Ingeniero de Telecomunicaciones
Director (a):
(M. Eng) Jairo Alberto Cuéllar Guarnizo
Línea de Investigación:
Cambio y desarrollo tecnológico
Grupo de Investigación:
GIIS
Fundación Universitaria Compensar
Facultad de Ingeniería, Ingeniería de Telecomunicaciones
Villavicencio, Colombia
2020
lema
“Si mañana por la mañana pudieses hacer agua
limpia para el mundo, habrías hecho lo mejor que
puedes hacer para mejorar la salud humana y la
calidad medioambiental.”
William C. Clark
Agradecimientos
Estamos agradecidos con la Fundación Universitaria Compensar por guiarnos en nuestro
proceso de formación como profesionales en el campo de ingeniería de Telecomunicaciones, ha
sido una carrera con bastantes altibajos, llena de dificultades que hemos superado con esmero y
gallardía, nos alienta la esperanza del tan anhelado título para así, poder aportar a la sociedad y a
la economía de nuestro país el carácter y profesionalismo que sembró en nosotros, este proceso de
formación superior académica.
Queremos resaltar al Ing. Alejandro Torres, quien dedicó horas de su tiempo para acompañarnos
en nuestro proceso de formación y nos brindó las pautas para tener la pasión por la electrónica y
la programación en Arduino, herramientas que hacen parte de este proyecto de grado.
Agradecemos a nuestros familiares, amigos y compañeros de clase que de una u otra manera
aportaron lo mejor de sí para con nosotros y ser esa voz de aliento para luchar por nuestros
objetivos académicos a lo largo de cada semestre a través de los años que nos tomó alcanzar la
meta final y conseguir finalmente el título como Ingenieros de Telecomunicaciones.
Resumen
La cuenca del río Guatiquía, en la actualidad ha sufrido un gran cambio en sus aguas ya que
por la contaminación ambiental y la crisis ecológica que se está viviendo actualmente, se ha
contaminado considerablemente y de gran impacto negativo para el mundo y el país de Colombia
ya que es una sus mayores fuentes hidrográficas.
Para poder mitigar el problema detectado en la fuente hidrográfica de la cuenca del río
Guatiquía, se ha planteado el diseño de un sensor que realice la recolección de datos sobre el
comportamiento y niveles de la calidad del agua para así poder analizar los cambios que se pueden
presentar desde su nacimiento aguas arriba, la interacción con el ser humano aguas a medias y el
grado de afectación aguas abajo tanto para la fauna y flora existente, así también lo que representa
para el ser humano el uso y consumo de este líquido.
La inversión para poder realizar el sensor tiene un costo aproximado de $ 450.000 ya que los
componentes son sensores analógicos compatibles con arduino, Sensor PH Arduino Analógico
Msp430, Sensor Temperatura NTC 3950 10K Impermeable, 1x termistor sensor de temperatura
ntc10k.
Este dispositivo de alta tecnología, fácil empleo y respuesta rápida, para medir la calidad del
agua tendrá mucho éxito, ya que es un aparato innovador, diferente y de fácil construcción, es de
gran utilidad para la ciencia en el estudio y mitigación de riesgos en las fuentes hidrográficas no
solo del departamento del meta, si no en cualquier fuente hidrográfica que se desee implementar;
Con el diseño de este dispositivo electrónico para la medición de la calidad del agua se pretende
hacer uso de herramientas tecnológicas actuales para el beneficio de la humanidad, de la fauna y
flora adyacente a las márgenes del río Guatiquía.
VI
Palabras clave: pH, arduino, turbidez, sensor, potabilidad, open-source, ntu.
Abstract
The Guatiquía river basin has currently undergone a great change in its waters since, due to
environmental contamination and the ecological crisis that is currently being experienced, it has
been contaminated considerably and with great negative impact for the world and the country of
Colombia. since it is one of its largest hydrographic sources.
In order to mitigate the problem detected in the hydrographic source of the Guatiquía river
basin, the design of a sensor that collects data on the behavior and levels of water quality has been
proposed in order to analyze the changes that can occur. to present from its source upstream, the
interaction with the human being in the middle waters and the degree of downstream affectation
for both the existing fauna and flora, as well as what the use and consumption of this liquid
represents for the human being.
The investment to be able to make the sensor has an approximate cost of $ 350,000 since the
components are analog sensors compatible with arduino, Ph Sensor Arduino Analog Msp430,
NTC 3950 10K Waterproof Temperature Sensor, 1x ntc10k temperature sensor thermistor.,
This high-tech device, easy to use and quick response, to measure water quality will be very
successful, since it is an innovative, different and easy-to-build device, it is very useful for science
in the study and mitigation of risks in the hydrographic sources not only in the meta department,
but also in any hydrographic source that you want to implement; With the design of this electronic
device for measuring water quality, it is intended to make use of current technological tools for
the benefit of humanity, of the fauna and flora adjacent to the banks of the Guatiquía River.
VIII
Keywords: ph, arduino, turbidity, sensor, potability, open-source, ntu.
IX
Contenido
Pág.
Introducción .............................................................................................................................. 14
Planteamiento del problema ...................................................................................................... 16
Antecedentes ............................................................................................................................. 20
Justificación .............................................................................................................................. 21
Objetivo general ........................................................................................................................ 26
Alcances y limitaciones ............................................................................................................. 27
1. Marco teórico ........................................................................................................................ 27
2. Desarrollo del proyecto ......................................................................................................... 31
2.1.diseño .................................................................................................................................. 31
2.2. Hardware utilizado en el sistema de monitoreo .................................................................. 31
2.3. Descripción modular .......................................................................................................... 32
2.4. Arduino mega 2560 r3 ........................................................................................................ 33
2.5. Sensor de turbidez .............................................................................................................. 34
2.6. Diagrama de conexión ........................................................................................................ 36
2.7. Clasificación del ph ............................................................................................................ 37
2.8. Sensor de ph analógico msp430 .......................................................................................... 39
2.10. Código ............................................................................................................................. 40
2.11 sobres buffer calibración ph ............................................................................................... 41
2.12. Características del electrodo de ph .................................................................................... 43
2.13. Sensor temperatura ntc 3950 10k impermeable ................................................................. 44
2.14. Conexión de la sonda de temperatura en la placa de arduino ............................................. 45
2.15 modulo display lcd ........................................................................................................... 46
2.17 presupuesto ....................................................................................................................... 48
2.17 cronograma de actividades................................................................................................. 51
2.18. Diseño del circuito............................................................................................................ 51
2.19. Programación en arduino .................................................................................................. 52
2.20. Implementación y desarrollo del prototipo ........................................................................ 53
X
2.20. Pruebas ............................................................................................................................. 54
3. Resultados y análisis ............................................................................................................. 56
3.1. Resultados .......................................................................................................................... 56
3.1.1 área objeto de trabajo ........................................................................................................ 56
3.1.2 puntos de muestreo ........................................................................................................... 57
3.1.3 coordenadas primer punto de muestra ............................................................................... 58
3.1.4 coordenadas segundo punto de muestra ............................................................................ 58
3.2 pruebas ................................................................................................................................ 59
3.2.1 prueba en la vereda la argentina- puente abadía ................................................................ 59
3.2.2 prueba puente bavaria- antigua vía restrepo ...................................................................... 60
3.2.3 prueba en puente guatiquía - vía villavicencio-restrepo ..................................................... 61
3.2.4. Recopilación monitor serial datos de muestreo ................................................................ 62
3.3 Análisis ............................................................................................................................... 64
4. Conclusiones y recomendaciones .......................................................................................... 68
4.1. Conclusiones ........................................................................ Error! Bookmark not defined.
4.2. Recomendaciones ............................................................................................................... 70
anexos ....................................................................................................................................... 71
bibliografía................................................................................................................................ 73
Lista de tablas
Pág.
Tabla 1. Calidad del agua EPM E.S.P ................................................................................................................ 22
Tabla 2. Ficha técnica placa de arduino .............................................................................................................. 34
Tabla 3. Relación mv electrodo Ph .................................................................................................................... 43
Tabla 4 scripción de pines Sensor DS18B20 ................................................................................................ 45
Tabla 5. Presupuesto sensores 1 ........................................................................................................................ 48
Tabla 6. Presupuesto accesorios 1..................................................................................................................... 49
Tabla 7. Tabla comparativa de muestras............................................................................................................. 62
12
Lista de ilustraciones
Pág.
Ilustración 1. Componentes electrónicos.................................................................................... 32
Ilustración 2. Placa arduino mega 2560 r3 ................................................................................. 33
Ilustración 3. Sensor analógico de turbidez ................................................................................ 34
Ilustración 4. Diagrama de conexión sensor turbidez ................................................................. 36
Ilustración 5. Escala del Ph ....................................................................................................... 38
Ilustración 6. Sensor de Ph Analógico Msp430 .......................................................................... 39
Ilustración 7. Diagrama de conexión Sensor Ph ......................................................................... 40
Ilustración 8. Sobres de Calibración Ph ..................................................................................... 42
Ilustración 9. Adaptador de tensión sensor Ph............................................................................ 43
Ilustración 10. Sensor de temperatura ....................................................................................... 44
Ilustración 11. Diagrama del sensor de temperatura ................................................................... 45
Ilustración 12. Conexión en arduino Sensor DS18B20 .............................................................. 46
Ilustración 13 Display LCD 16x2 azul ....................................................................................... 46
Ilustración 14 Conexión arduino Display LCD .......................................................................... 47
Ilustración 15. Simulación circuito completo ............................................................................. 52
Ilustración 16 Código de programación fase 1 Librerías ............................................................ 53
Ilustración 17. Pruebas de implementación Fase 1 ..................................................................... 54
Ilustración 19 Código de programación fase 2 Setup ................................................................. 55
Ilustración 20 Dispositivo Implementado Medición Calidad del Agua ....................................... 56
Ilustración 21 Ubicación de los tres puntos de muestreo ............................................................ 57
Ilustración 22 muestra puente abadía ubicación vereda la argentina ........................................... 57
Ilustración 23 muestra puente Bavaria ubicación vía antigua Restrepo ...................................... 58
Ilustración 24 muestra puente Guatiquía salida Villavicencio-Restrepo ..................................... 58
Ilustración 25: Bocatoma puente abadía empresa acueducto y alcantarillado Villavicencio. ....... 59
Ilustración 26: Toma de muestra con el dispositivo directamente en el río ................................. 60
Ilustración 27: puente Bavaria ................................................................................................... 60
13
Ilustración 28: toma de muestra con el dispositivo directamente al río. ...................................... 61
Ilustración 29: Puente Guatiquía vía Villavicencio-Restrepo ..................................................... 61
Ilustración 30 Pruebas de medición Monitor serial en arduino ................................................... 62
14
Lista de anexos
Pág.
Anexo a. Código fuente de programación .................................................................................. 71
15
Introducción
Econlink (2010) nos dice:
“Los recursos naturales son aquellos elementos proporcionados por la naturaleza sin
intervención del hombre y que pueden ser aprovechados por el hombre para satisfacer sus
necesidades.
Además de los recursos naturales, existen los recursos humanos, los recursos culturales, las
maquinarias, los bienes inmuebles, etc. Claramente vemos que otros tipos de recursos no son
provistos por la naturaleza sin intervención humana, sino que son creados por el hombre”
Los afluentes y ríos son parte vital de todas las ciudades, por lo tanto, la importancia de conocer
datos sobre su comportamiento y los niveles de calidad que pueda presentarse en el agua que fluye
a través de estos, permite tomar acciones que a futuro benefician a las especies que se abastecen
la utilizan como elemento vital para la vida humana, animal y ambiental.
La calidad del recurso incide de manera directa en la salud tanto de los ecosistemas que habitan
en la misma como en el bienestar del ser humano, y se clasifica dependiendo del uso para el cual
va a ser empleada, ya sea para uso recreativo, uso de doméstico, uso agrícola y ganadero, como
hábitat para organismos acuáticos, entre otros usos. Sin embargo, se debe tener en cuenta que
después de usar el recurso, este suele regresar al sistema hidrológico, de manera que si no se realiza
el tratamiento adecuado puede acabar afectando gravemente a la fuente (fibras y normas de
Colombia, 2018).
16
La calidad del recurso puede verse afectada por factores tanto físicos, químicos y biológicos
como son el aumento de la población humana, la masiva urbanización que afecta no sólo a grandes
centros urbanos, el vertimiento de nuevos patógenos y productos químicos empleados en las
diversas industrias, el cambio climático y el crecimiento de especies invasoras en los ecosistemas
(Lizarazo, 2018).
En el siguiente proyecto se encontrará la descripción del para qué y porqué se pretende diseñar
un dispositivo electrónico a partir de sensores para tomar muestras y hacer mediciones de un
afluente de la ciudad de Villavicencio, después se analizarán antecedentes de otras partes del país
y del mundo para entrar en contexto en la importancia de tomar estas muestras y examinarlas.
Seguidamente se plantean los mecanismos y herramientas necesarias para el diseño del
proyecto; dispositivo electrónico para la medición de calidad del agua, el cual contará con varios
sensores incorporados que permitirán tomar las muestras y mediciones deseadas para su posterior
análisis e interpretación.
Planteamiento del Problema
El agua está en el epicentro del desarrollo sostenible y es fundamental para el desarrollo
socioeconómico, la energía y la producción de alimentos, los ecosistemas saludables y para la
supervivencia misma de los seres humanos. El agua también forma parte crucial de la adaptación
al cambio climático, y es el vínculo crucial entre la sociedad y el medioambiente (Organización
de las naciones unidas, 2016).
17
Por ello la corte constitucional en su sentencia T-740-2011 estipula que el agua es, además, una
cuestión de derechos. A medida que crece la población mundial, se genera una necesidad creciente
de conciliar la competencia entre las demandas comerciales de los recursos hídricos para que las
comunidades tengan lo suficiente para satisfacer sus necesidades.
Para el desarrollo del ser humano, el agua y los sistemas de saneamiento no pueden estar
separados. Ambos son vitales para reducir la carga mundial de enfermedades y para mejorar la
salud, la educación y la productividad económica de las poblaciones (Organización de las
Naciones Unidas, 2016).
Los ríos y mares colombianos reciben y transportan cargas contaminantes de agua utilizadas en
los diferentes procesos socioeconómicos y vertidas mayoritariamente sin tratamiento previo;
además, son los receptores de altos volúmenes de sedimentos originados por procesos de erosión,
bien sea de origen natural o por acción del hombre. Estas acciones se incrementan diariamente,
debido al crecimiento de la población y de las actividades económicas, siendo necesario un
monitoreo y control constante que permita tomar las acciones necesarias para abordar esta
problemática con el fin de disminuir su impacto en los procesos naturales y sociales, especialmente
en la salud humana.
El sistema de información ambiental de Colombia (SIAC) a través de un estudio realizado dicen
que: La carga orgánica biodegradable (DBO5) vertida a los sistemas hídricos después de
en Colombia durante el año 2012 alcanzó 756.945t t/año, que equivalen a 2.102 t/día. este total,
la industria aporta el 28%, el sector doméstico el 69% y el sector cafetero el 3%. El 80% de la
carga de DBO5 fue aportada por 55 municipios principalmente por las áreas metropolitanas y
18
ciudades grandes del país: Bogotá, Medellín, Cali, Barranquilla, Cartagena, Bucaramanga, Cúcuta,
Villavicencio y Manizales.
La carga total nacional vertida a los cuerpos de agua de demanda química de oxígeno (DQO),
después del tratamiento, es de 1.675.616 t/año, equivalentes a 4.654 t/día de los cuales la industria
aporta el 37%, el sector doméstico el 61 % y el cafetero el 2%.
En cuanto a Sólidos Suspendidos Totales se vierten 1.135.726 t/año, equivalente a 3.154 t/día.
La industrial aporta el 7%, el sector doméstico el 91% y el subsector cafetero el 1%.
En 179 municipios ubicados en 15 departamentos se estimó una carga vertida en 2012 de 205
toneladas de mercurio al suelo y agua, de las cuales 27.5% corresponden al uso para beneficio de
la plata y 72.5% al beneficio de oro. (2007)
La cuenca del río Guatiquía en la actualidad, está condenada " una rápida destrucción dado que
a su lecho son arrojadas elevadas cantidades de basura y otros desechos, que pueden superar las
150 toneladas por día, producidas por la ciudad de Villavicencio. Esta situación puede hacer
imposible toda clase de mecanismos auto depurativos y de manejo de esta elevada contaminación
del río. De ahí la necesidad de realizar estudios que pongan de manifiesto esta situación y permitan
vislumbrar las salidas prácticas más adecuadas.
La caracterización del agua desde el punto de vista físico químico proporciona información
importante para la determinación de la calidad del fluido, su grado de contaminación, las
características más generales del contaminante etc. Así, por ejemplo, el índice de acidez (pH)
indica el balance de sustancias de características ácidas y básicas presentes en el líquido y este
19
balance permite, además, prever qué especies podrían desarrollarse en esas condiciones y cuáles
no. La conductividad eléctrica (C.E.) describe en cierto grado los compuestos minerales disueltos.
El oxígeno disuelto (OD) indica las posibilidades potenciales de autodepuración que posee el
fluido y que especies podrán existir en mayor o menor proporción: aeróbicas o anaeróbicas. Las
demandas química y bioquímica de oxígeno (DQO y DBO) representan la materia orgánica total
y biodegradable presente en el agua. De tal manera que, al determinarlas y comparar sus valores
con los niveles de aniones, cationes y los demás indicadores enunciados, se puede formar una
imagen de amplio espectro de los contaminantes presentes en el líquido, su toxicidad. su
biodegradabilidad y sobre la base de los resultados obtenidos manejar el recurso agua de la manera
más adecuada, evitando consecuencias nocivas en los consumidores y proponer los métodos más
convenientes para su tratamiento y purificación como una manera efectiva de prevenir dolencias
en la población, sobre todo la infantil, como la más vulnerable ante la baja potabilidad del líquido.
Es así como la elevada presencia de hierro y de sulfatos pueden originar en niños alergias y diarrea
Desde el punto de vista toxicológico se puede decir sobre el río Guatiquía, que presenta alguna
afectación por contaminación fisicoquímica, especialmente por el aporte de materia orgánica
proveniente de vertimiento doméstico. Esta contaminación es más notoria en la medida en que sus
afluentes obran como receptores de fuentes puntuales de vertimientos líquidos y se va disipando
en sentido inverso, es decir cuando los afluentes van entregando a cuerpos de agua de orden
superior. La principal afectación del río y sus afluentes tiene que ver con la contaminación
microbiológica, la cual supera los estándares para cuerpos de agua cuya destinación fundamental
es el riego restringido (Cormacarena 2018).
20
Antecedentes
Los ríos y mares colombianos reciben y transportan cargas contaminantes de agua utilizadas en
los diferentes procesos socioeconómicos y vertidas mayoritariamente sin tratamiento previo;
además, son los receptores de altos volúmenes de sedimentos originados por procesos de erosión,
bien sea de origen natural o por acción del hombre.
Estas acciones se incrementan diariamente, debido al crecimiento de la población y de las
actividades económicas, siendo necesario un monitoreo y control constante que permita tomar las
acciones necesarias para abordar esta problemática con el fin de disminuir su impacto en los
procesos naturales y sociales, especialmente en la salud humana.
El análisis de la calidad del agua, está soportado en las mediciones que se realizan desde la Red
del Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales (IDEAM) y en la información
de sectores económicos que recolectan datos de calidad del agua de manera sistemática,
representados y especializados en indicadores de calidad del agua y de amenaza potencial por
contaminación.
La carga orgánica biodegradable demanda bioquímica de oxígeno (DBO5) vertida a los
sistemas hídricos después de tratamiento en Colombia durante el año 2012 alcanzó 756.945 t/año,
que equivalen a 2.102 t/día. De este total, la industria aporta el 28%, el sector doméstico el 69% y
el sector cafetero el 3%. El 80% de la carga de DBO5 fue aportada por 55 municipios
principalmente por las áreas metropolitanas y ciudades grandes del país: Bogotá, Medellín, Cali,
Barranquilla, Cartagena, Bucaramanga, Cúcuta, Villavicencio y Manizales.
21
La carga total nacional vertida a los cuerpos de agua de demanda química de oxígeno (DQO),
después del tratamiento, es de 1.675.616 t/año, equivalentes a 4.654 t/día de los cuales la industria
aporta el 37%, el sector doméstico el 61 % y el cafetero el 2%.
En cuanto a Sólidos Suspendidos Totales se vierten 1.135.726 t/año, equivalente a 3.154 t/día.
La industrial aporta el 7%, el sector doméstico el 91% y el subsector cafetero el 1%.
En 179 municipios ubicados en 15 departamentos se estimó una carga vertida en 2012 de 205
toneladas de mercurio al suelo y agua, de las cuales 27.5% corresponden al uso para beneficio de
la plata y 72.5% al beneficio de oro.
Las sub zonas con mayor afectación por vertimientos de mercurio asociados al beneficio de oro
son las correspondientes a: directos al Magdalena (Brazo Morales), Bajo Nechí, Sucio, directos al
Bajo Nechí, ríos Tarazá, Man, Quito, Cajón, Tamaná y otros directos al San Juan.
Justificación
Se busca desarrollar un dispositivo compuesto de sensores que permita obtener información
sobre la calidad del agua dados por parámetros de PH, turbiedad, color y temperatura del río
Guatiquía de Villavicencio. En la siguiente tabla se relacionan los parámetros de mayor relevancia
y control en el monitoreo de la calidad de agua, según la resolución 2115 de 2007:
22
Tabla 1. Calidad del agua EPM E.S.P Resolución 2115 de 2007
Características Físicas Valor Máximo Aceptable
Color aparente 15
Olor y Sabor Aceptable
Turbiedad 2
Características Químicas Valor Máximo Aceptable
Cloro residual 0.3 a 2.0
Ph 6.5 a 9.0
Carbono Orgánico Total 5.0
Nitritos 0.1
Nitratos 10
Alcalinidad Total 200
Cloruros 250
Aluminio 0.2
Dureza Total 300
Hierro Total 0.3
Manganeso 0.1
Sulfatos 250
Coliformes totales 0 UFC/100 cm3
Coliformes fecales 0 UFC/100 cm3
Mercurio 0,001
Cianuro libre y disociable 0,05
Características microbiológicas Valor Máximo Aceptable
Coliformes Totales 0
23
Escherichia coli 0
Mesófilos < 100
La cuenca del Río Guatiquía es considerada una cuenca tributaria de la macro cuenca del
Orinoco, se localiza al sureste del Departamento de Cundinamarca y al noroccidente del
Departamento del Meta entre los 175 metros sobre el nivel del mar (m.s.n.m) en la región de los
llanos orientales y los 4.000 m.s.n.m en la Serranía de los Órganos y en los Cerros San Luis y Peña
Alumbre.
La cuenca del rio Guatiquía tiene una extensión de 180.000 hectáreas (ha) de las cuales el 87%,
se encuentran localizadas en el Departamento del Meta abarcando parte de los municipios de
Villavicencio (53.766 ha), Restrepo, Cumaral y Puerto López. Su importancia radica en la
prestación de servicios ambientales que les proporciona a éstos ya que más del 70% del área urbana
de Villavicencio capta agua de fuentes que hacen parte de la cuenta (Quebrada Honda, Caño
Maizaro, Caño Buque, y pozos profundos), convirtiéndose en una fuente abastecedora del recurso,
importante para la población y que debe ser objeto de preservación y conservación.
Entre las corrientes localizadas en la Cuenca del Guatiquía se destacan Quebrada Honda, Caño
Parrado, Caño Buque, Caño Maizaro, Caño Vitalia y Caño La Linda entre otras (Plan de
Ordenamiento Territorial POT, 2015, Pág. 58).
Desde que nace en el Páramo de Chingaza, a unos 3.500 metros sobre el nivel del mar, corren
sus aguas por el municipio de Quetáme, en Cundinamarca y por la población de Villavicencio en
24
el departamento del Meta. El río Guatiquía pertenece a la cuenca hidrográfica del río Orinoco. En
su trayectoria de aproximadamente 137 km, pasa por los llanos orientales y por la formación rocosa
y profunda conocida como el Cañón de Guatiquía, para llegar luego a los límites del municipio de
Restrepo y del río Humea. Su caudal se separa en dos ramales que cambian de nombre a río Negrito
y río Guayuríba. Ambos llegan posteriormente al río Meta, y en su torrente como río Negrito, ya
cerca de su desembocadura, forma una paradisíaca cascada de belleza indescriptible. El río
Guatiquía cuenta con dos corrientes que vierten sus aguas sobre él como afluentes principales, que
son el río Frío y el río La Playa. Estas aguas entran en el embalse de Chingaza, donde se aprecia,
por una parte, la gigantesca cascada y por otra, la laguna rodeada de miradores y misteriosas
cuevas, que sin lugar a dudas son la atracción del lugar. Este embalse surte del preciado líquido a
más del ochenta por ciento de la ciudad capital, Bogotá. (Moreno, 2018)
En el río Guatiquía se presentan abundantes lluvias, en medio de un clima típico de páramo y
algunas veces muy frío, transformando el ecosistema en selvas y bosques húmedos, ya que la
temperatura del río Guatiquía se presenta entre los 4ºC y 21,5°C.
A partir de la concentración de lluvias en el Piedemonte llanero y la zona de cordillera existe
una intensa red hidrográfica; el régimen de precipitación en el municipio se caracteriza por
presentar un período lluvioso entre los meses de abril a noviembre y un período seco entre los
meses de diciembre a marzo (ríos del planeta, 2019).
Según la UNESCO (1979), esta cuenca es la vigésima más extensa del mundo; según otras
fuentes, la cuenca del Orinoco tiene una superficie de 1’032.524 km2, de los cuales 388.101
(37,6%) están en Colombia y 644.423 (62,4%) en Venezuela. En este último país la región
25
orinoquense cubre cerca del 70,6 % del territorio nacional, mientras que en Colombia cubre el 34
%. Básicamente Villavicencio está limitado en tres costados por los ríos Guatiquía y Guayuríba en
aproximadamente 130 km. Otras quebradas como La Honda, El Guadual, Negra y Salinas sirven
igualmente de límite en longitud aproximadamente 40 km. La cuenca del río Meta es la receptora
de los afluentes del Municipio de Villavicencio, y ella a la vez vierte sus aguas a la gran cuenca
del Orinoco. La Cuenca del río Guatiquía: Nace en el Páramo de Chingaza en el Municipio de
Fómeque (Cundinamarca); su distribución irregular del caudal durante el año, sumado al
inadecuado uso de los recursos naturales en la cuenca alta causa una serie de adversidades en la
temporada de lluvias (León, 2005).
Este suceso ha tomado mayor importancia por sus efectos sobre la salud de las personas y el
ecosistema, para lo cual se requiere un mayor control sobre el impacto socio ambiental.
La importancia de los sensores en la cuantificación ambiental, en la recolección de datos sobre
el comportamiento y niveles de la calidad del agua y de un afluente permitirá analizar los cambios
que se pueden presentar desde su nacimiento aguas arriba, la interacción con el ser humano aguas
a medias y el grado de afectación aguas abajo tanto para la fauna y flora existente, así también lo
que representa para el ser humano el uso y consumo de este líquido.
El 80% de las aguas residuales vuelven a los ecosistemas sin haber sido tratadas o reutilizadas
(UNESCO, 2017). En base a esta de referencia de la UNESCO, es de vital importancia para
nosotros el diseño de este equipo para la medición de la calidad del agua, el cual nos permitirá
conocer datos importantes sobre el Río Guatiquía de la ciudad de Villavicencio, tales datos como:
el potencial de hidrógeno (PH), la temperatura del agua, el nivel de turbidez y el color. Estos datos
26
estarán a disposición de organizaciones ambientales para su análisis, las cuales les permita tomar
medidas de prevención sobre las condiciones de salud de los pobladores, sobre la contaminación
de sus aguas, y otras que se puedan presentar después de tomar las muestras del río.
Con el diseño de este dispositivo electrónico para la medición de la calidad del agua se pretende
hacer uso de herramientas tecnológicas aplicando los conocimientos de la ingeniería; electrónica,
sistemas, telecomunicaciones y ambiental para el beneficio de la humanidad, de la fauna y flora
adyacente a las márgenes del río Guatiquía a fin de conocer los diferentes agentes contaminantes
que pueda contener el agua.
Objetivo General
Diseñar un dispositivo electrónico equipado de sensores de medición para la obtención de datos
específicos que establezcan la calidad del agua del río Guatiquía de la ciudad de Villavicencio.
Objetivos Específicos
Desarrollar el código fuente para la etapa lógica del dispositivo de medición.
Establecer las configuraciones pertinentes para la correcta integración e interconexión
entre los sensores y demás componentes de hardware que permitan el funcionamiento del
dispositivo.
Evaluar el funcionamiento óptimo de cada una de las etapas implementadas en el
dispositivo.
27
Georreferenciar los puntos estratégicos para la toma de muestras por medio de salidas al
campo.
Analizar las muestras obtenidas basadas en los parámetros establecidos por las entidades
gubernamentales.
Alcances y limitaciones
Se realizará recolección de muestras directas del afluente. Captura de datos a través del
dispositivo electrónico el cual nos permitirá obtener datos, que serán analizados y comparados con
parámetros establecidos como aceptables para consumo humano por entes gubernamentales.
Encontraremos zonas de difícil acceso.
Se requiere del conocimiento de otras áreas de ingenierías como ambiental y química para la
interpretación de los datos obtenidos por el dispositivo electrónico desarrollado por los ponentes
del proyecto.
1. Marco teórico
A continuación, se mencionan una serie de conceptos fundamentales para comprender más a
fondo la temática de nuestro proyecto de investigación, también se mencionan los sensores que se
acoplan a la necesidad planteada en el objetivo general.
28
Sensores: Un sensor es un dispositivo que está capacitado para detectar acciones o estímulos
externos y responder en consecuencia a ellos. Se encargan de medir magnitudes físicas y
transformarlas en señales eléctricas capaces de ser entendidas por un microcontrolador
(Guimerans, 2017).
Ph: Es la medida de acidez o alcalinidad que indica la cantidad de iones de hidrógeno presentes
en una solución o sustancia. Las siglas pH significa potencial hidrógeno o potencial de
hidrogeniones (Gómez, 2010).
TSS: Es el total de sólidos en suspensión o TSS un parámetro utilizado en la calificación de la
calidad del agua y en el tratamiento de aguas residuales. Indica la cantidad de sólidos presentes,
en suspensión y que pueden ser separados por medios mecánicos, como por ejemplo la filtración
en vacío, o la centrifugación del líquido.
Arduino: Es una plataforma de desarrollo basada en una placa electrónica de hardware libre que
incorpora un microcontrolador re-programable y una serie de pines hembra, los que permiten
establecer conexiones entre el microcontrolador y los diferentes sensores y actuadores de una
manera muy sencilla (Ingeniería MCI, 2011).
29
Turbidez: La turbidez es una medida del grado en el cual el agua pierde su transparencia debido
a la presencia de partículas en suspensión; mide la claridad del agua. La presencia de materias
diversas en suspensión, arena, limos, coloides orgánicos, plancton y otros organismos
microscópicos da lugar a la turbidez en un agua (Gonzales, 2011).
Temperatura: Una manera más importante de atribuir una definición a la temperatura es asociarla
con el movimiento de las moléculas que conforman el sistema en cuestión. La actividad molecular
también se incrementa; es decir, la velocidad promedio de las moléculas del sistema
aumenta. Podría sugerir que la molécula del vapor de agua a alta temperatura tiene una velocidad
más alta, mientras que las piezas de hielo casi no tienen movimiento. (Barbosa, J, Saldaña,
Gutiérrez, C, 2015).
Agua cruda: El agua cruda o de manantial es aquella que se consume embotellada en fábricas
cercanas al lugar del que nace sin haber sido filtrada ni tratada, con el peligro que lleva para la
salud (Sanjuán Martin ,2019).
Agua potable: El agua potable es empleada principalmente para el consumo directo, es decir, para
beber, cocinar o lavar los alimentos que comeremos. Agua que, por reunir los requisitos
organolépticos, físicos, químicos y microbiológicos, en las condiciones señaladas en el Decreto
1575 y Resolución 2115 del 2007, puede ser consumida por la población humana sin producir
efectos adversos a la salud (Reffino Estela, 2020).
30
Análisis fisicoquímico del agua: Pruebas de laboratorio que se efectúan a una muestra para
determinar sus características físicas, químicas o ambas (Laboratorios Anderson, 2018)
Análisis microbiológico del agua: Pruebas de laboratorio que se efectúan a una muestra para
determinar la presencia o ausencia, tipo y cantidad de microorganismos (Andueza D, 2014).
Contaminación del agua: Alteración de sus características organolépticas, físicas, químicas,
radiactivas y microbiológicas, como resultado de las actividades humanas o procesos naturales,
que producen o pueden producir rechazo, enfermedad o muerte al consumidor (Enciclopedia de
Ejemplos, 2019).
Desinfección: Proceso físico o químico que permite la eliminación o destrucción de los
organismos patógenos presentes en el agua. (Porto, J y Merino, M, 2017).
Patógenos: Microorganismos que pueden causar enfermedades en otros organismos, ya sea en
humanos, animales y plantas (Editorial Definición MX, 2013).
Nefelometría: técnica que usa un nefelómetro para medir el número y tamaño de las partículas de
una suspensión. La intensidad de la luz dispersa por las partículas se mide con un detector en el
ángulo de la luz incidente (James L. Bennington, 2000).
2. Desarrollo Del Proyecto
2.1. Diseño
En esta etapa se establece la forma y los componentes que se utilizaran en la implementación
del dispositivo de medición, teniendo en cuenta que sean compatibles con la placa de programación
Arduino Mega 2560, la cual será la tarjeta electrónica principal con la programación y control de
los datos obtenidos en tiempo real.
Se elige 3 sensores analógicos de bajo costo que son compatibles con Arduino para la
implementación del dispositivo, tales son:
Sensor Temperatura NTC 3950 10K Impermeable
Sensor de PH Analógico Msp430
Sensor de turbidez analógico para Arduino
Este dispositivo tendrá la capacidad de tomar y mostrar la temperatura del agua, los niveles de
potencial de hidrógeno (PH) y turbidez en tiempo real de cualquier afluente hídrico, permitiendo
así tener datos del agua que es utilizada tanto para el consumo urbano, como rural, animal y agro
industrial, de tal manera que pueda ser información de libre acceso a cualquier parte del
departamento por su bajo costo.
2.2. Hardware utilizado en el sistema de monitoreo
En la Figura 20 se ilustran los requerimientos de hardware que se requieren para el sistema de
monitoreo.
Ilustración 1. Componentes electrónicos
En seguida se especificará uno a uno los sensores seleccionados para usar en el sistema de
monitoreo, para su elección se tuvo en cuenta sus características, disponibilidad y precio.
2.3. Descripción Modular
A continuación, se detallan los módulos y sensores compatibles con arduino sus características
y componentes a fin de identificar a plenitud las fichas técnicas de las partes electrónicas que hacen
del dispositivo de medición de la calidad del agua.
Arduino es una plataforma de creación de electrónica de código abierto, la cual está basada en
hardware y software libre, flexible y fácil de utilizar para los creadores y desarrolladores. Esta
plataforma permite crear diferentes tipos de microordenadores de una sola placa a los que la
comunidad de creadores puede darles diferentes tipos de uso. Él software libre son los programas
informáticos cuyo código es accesible por cualquiera para que quien quiera pueda utilizarlo y
modificarlo. Arduino ofrece la plataforma Arduino IDE (Entorno de Desarrollo Integrado), que es
un entorno de programación con el que cualquiera puede crear aplicaciones para las placas
Arduino, de manera que se les puede dar todo tipo de utilidades.
2.4. Arduino Mega 2560 R3
Ilustración 2. Placa arduino mega 2560 r3
Es una board electrónica basada en el ATmega2560. Tiene 54 pines de entradas/salidas digitales
(15 pines pueden ser usados para señales de salida PWM). Tiene 16 entradas analógicas, 4 UARTs
(hardware para puertos seriales), maneja una frecuencia de reloj de 16MHz, una conexión USB,
un conector de alimentación, un header ICSP y un botón de reset, contiene todo lo que el
microcontrolador necesita para funcionar en óptimas condiciones, tiene un conector de
alimentación el cual puede ser conectado a través de cable USB, un adaptador AC-DC o una batería
para que la board pueda funcionar. La Mega es compatible con la mayoría de los Shield (hardware
extraíble) para Arduino Duemilanove o Diecimila. El MEGA2560 difiere de sus predecesoras,
puesto que no usa drivers de USB a FTDI para puerto serial, ya que esta necesidad la suple el
ATMEGA16U2.
Tabla 2. Ficha técnica placa de arduino
Microcontrolador ATMEGA2560
Voltaje de operación 5V
Entrada de voltaje recomendada 7V-12V
Límites de entrada de voltaje 6V-20V
Pines digitales entradas/salidas 54 (15 pines para señal PWM a la
salida)
Pines analógicos de entrada 16
Corriente de salida DC total de todas las línea de
entradas/salidas 40mA
Corriente DC por el pin de 3.3V 50mA
Memoria Flash 256KB (8KB para el arranque)
SRAM 8KB
EEPROM 4KB
Frecuencia de reloj 16MHz
2.5. Sensor de turbidez
Ilustración 3. Sensor analógico de turbidez
Los sensores de turbidez miden los niveles de calidad al registrar los niveles de turbidez.
Utilizan luz para detectar las diferentes partículas suspendidas en el agua al medir las tasas de
dispersión y transmitancia, las cuales cambian con las diferentes cantidades totales de sólidos
suspendidos (TSS) en el agua. El factor TTS incrementará si aumentan los niveles de turbidez en
el líquido. Los sensores de turbidez se utilizan para medir la calidad del agua en los ríos, arroyos,
aguas residuales y demás efluentes, instrumentación de control en soluciones de piscinas,
investigación en transporte de sedimentos y mediciones en laboratorio. Este sensor provee tanto
salidas análogas como salidas digitales. El nivel de comparación es ajustable cuando se utiliza la
modalidad de salida digital. Puedes seleccionar la modalidad de acuerdo a tu MCU.
Especificaciones;
Voltaje de funcionamiento: 5V DC
Corriente de funcionamiento: 40mA (MAX)
Tiempo de respuesta: <500ms
Resistencia de aislamiento: 100M (Min)
Método de salida: analógico
Salida analógica: 0-4.5V
Salida digital: Señal de nivel alto / bajo (puede ajustar el valor umbral ajustando el potenciómetro)
Temperatura de funcionamiento: 5 ℃ ~ 90 ℃
Temperatura de almacenamiento: -10 ℃ ~ 90 ℃
Peso: 30g
Dimensiones del adaptador: 38 mm * 28 mm * 10 mm / 1.5 pulgadas * 1.1 pulgadas * 0.4 pulgadas.
2.6. Diagrama de conexión
Ilustración 4. Diagrama de conexión sensor turbidez
Esta es una tabla de referencia para el mapeo del voltaje de salida a la NTU según la temperatura
diferente. Por ejemplo, si deja el sensor en el agua pura, es decir, NTU <0.5, debería generar "4.1
± 0.3V" cuando la temperatura es 10 ~ 50 ° C. Según el wikidoc aportado por el fabricante la
variación de la tensión de la temperatura para 3 diferentes soluciones de 0, 1000 y 3000 Unidades
de Turbidez Nefelométrica (NTU).
Grafica 1. Voltaje de salida NTU
2.7. Clasificación del Ph
La escala de pH va de 1 a 14, siendo el pH 7 la disolución neutra. Si el pH es inferior a 7 la
disolución es en su conjunto ácida, tanto más ácida cuanto menor sea el valor del pH. En cambio,
si el pH es superior a 7, la disolución entra a denominarse básica, y será tanto más básica cuanto
mayor sea su pH, hasta llegar al límite de 14.
Según la escala de pH en la que se encuentre el suelo, los elementos nutritivos pueden estar o
no en condiciones de disponibilidad por la planta, e incluso afectar a su grado de toxicidad.
Para exponer de forma sencilla la incidencia del pH en la definición del suelo y su incidencia
en los nutrientes, realizamos la siguiente clasificación:
Cuando el pH es inferior a 4,5, decimos que es extremadamente ácido y las
condiciones del suelo son muy desfavorables.
De 4,5 a 5 es muy fuertemente ácido y existe una posible toxicidad por efecto del
aluminio.
De 5,1 a 5,5 es fuertemente ácido y suele ir acompañado de deficiencia de Ca, K, Mg,
N, P, S, Mo… exceso de Cu, Fe, Mn, Zn, Co y la actividad bacteriana en el suelo es escasa.
De 5,6 a 6 es medianamente ácido y es un suelo adecuado para la mayoría de los
cultivos.
De 6,1 a 6,6 es ligeramente ácido y es donde se encuentra la disponibilidad máxima
de nutrientes.
De 6,6 a 7,3 es neutro y los efectos tóxicos de los elementos son mínimos.
De 7,4 a 7,8 se denomina medianamente básico y por lo general hay carbonato cálcico
en el suelo.
De 7,9 a 8,4 es básico y disminuye la disponibilidad de P y Bo, además de una
deficiencia creciente de Cu, Fe, Mn, Zn. Co. Aparece la clorosis férrica.
De 8,5 a 9 es ligeramente alcalino y aparecen los problemas mayores de clorosis
férrica.
De 9,1 a 10 es alcalino y existe la presencia de carbonato sódico en grandes
cantidades.
Por encima del 10 es fuertemente alcalino y conlleva un elevado porcentaje de Na
(Sodio) intercambiable. La actividad microbiana es escasa y hay poca disponibilidad
de micronutrientes, excepto del Mo (Molibdeno) (AEFA, 2018).
Ilustración 5. Escala del Ph
2.8. Sensor de Ph Analógico Msp430
El medidor de pH analógico está diseñado especialmente para Baords de Arduino, cuenta con
un práctico conector BNC para una conexión instantánea de la sonda y obtener mediciones de pH
a ± 0.1 HP (25 ℃). Este sensor es una gran herramienta para sistemas bio robóticos, pruebas de
calidad de agua o para la acuicultura. Para su funcionamiento simplemente se conecta el sensor de
pH con el conector BND y a través de la interfaz PH2.0 a una entrada analógica de cualquier
Arduino obtendrá el valor de pH fácilmente ajustándose su ganancia por medio del potenciómetro.
Para medir el valor de pH en el agua. es ampliamente utilizado en la industria química ligera,
industria farmacéutica, tintorerías y el instituto científico en el valor de pH necesita medir.
Clase de producto
Sensor interno resistance MΩ (25 ° C) ≤250MΩ (25)
Teórica porcentaje pendiente % ≥97
Bloques de terminales BNC plug
La repetitividad (pH): 160*12mm
Especificaciones Modelo E-201/E-201C
temperatura (° C) 0-50 C
Ilustración 6. Sensor de Ph Analógico Msp430
2.9. Conexión con Arduino
Para conectarlo con Arduino necesitaremos una entrada analógica (A0), alimentación (5V) y
dos GND que en realidad en el circuito del sensor están separadas, pero podemos usar la misma.
2.10. Código
El código consiste en tomar 10 muestras de la entrada analógica A0, ordenarlas y descartas la
más alta y la más baja y calcular la media con las seis muestras restantes convirtiendo este valor a
voltaje en la variable pHVol, a continuación, utilizando la ecuación que hemos calculado con los
valores de referencia de pH convertimos pHVol a pHValue y lo mandamos en el puerto serie para
verlo en el monitor serie.
Ilustración 7. Diagrama de conexión Sensor Ph
Para poder calibrar el sensor y tener una medida numérica, de la cual se podrá extraer
información sobre cómo varía la acidez del agua en función del tiempo, y poder alertar de una
contaminación con el estudio de esos datos. La comunicación de esos datos a la organización
correspondiente lo realizará el módulo de comunicaciones, mientras este proyecto se basa en la
medida y posterior adquisición de esos datos, y no en la comunicación e interpretación de los
mismos.
2.11 Sobres Buffer Calibración Ph
Descripción
La solución tampón de polvo proporciona una larga vida útil y estabilidad y es ideal para un
uso de bajo volumen. Cada paquete contiene 250 mL de solución tampón. Proporciona una vida
útil y estabilidad indefinida o larga, ideal para un uso de bajo volumen. Es ligero, económico y
ocupa muy poco espacio. Estos tampones son exactos en unidades de pH 0. 01pH a 25 ºC y se
mantienen estables durante largos períodos de tiempo.
Cada volumen del paquete: 250 ml.
Cada paquete/bolsita de polvo produce 250 ml de solución (cuando se mezcla con agua
destilada o des ionizada)
Precisión: pH 0. 01pH a 25 ºC
Tamaño: 7,5x6,5 cm/2,95x2,56"
2 Unidades buffer en polvo para Medidor de Prueba PH
Medida Solución de Calibración: CONTENIDO DEL PAQUETE:
1 unid PH 4.00
1 unid PH 6.86
Ilustración 8. Sobres de Calibración Ph
En primer lugar, cabe destacar que, en las hojas de especificaciones del sensor, elaborada en un
Wikidoc por DFRobot, la empresa distribuidora, se indica la tabla siguiente, que muestra el valor
del voltaje en el electrodo y su respectivo nivel de pH correspondiente a una temperatura del agua
de 25 grados. El circuito acondicionador contiene un adaptador de tensión para que la lectura en
el Arduino se encuentre en el rango 0-5 V, que es en el que trabaja la placa y no un rango simétrico
como el que utiliza el electrodo de la sonda.
Ilustración 9. Adaptador de tensión sensor Ph
2.12. Características del electrodo de pH
La salida del electrodo de pH es mili voltios, y el valor de pH de la relación se muestra a
continuación (25 ℃):
Tabla 3. Relación mv electrodo Ph
2.13. Sensor Temperatura NTC 3950 10K Impermeable
Ilustración 10. Sensor de temperatura
Este es un sensor de temperatura NTC de un valor de resistencia de 10KOhm ±1%, posee un
cable de conexión de 1 metro de longitud, proporcionando un excelente rendimiento y estabilidad.
Este sensor está hecho de cobre niquelado en forma cilíndrica con un diámetro de 4mm y un largo
de 25 mm; puede medir temperaturas en un rango de -40°C a 120°C. Este sensor suele ser utilizado
para la medición y el control de los aires acondicionados (uso doméstico), auto acondicionadores,
refrigeradores, congeladores, calentadores de agua, dispensadores de agua, calentadores,
lavadoras, secadoras y horno de baja temperatura incubadoras, entre otras, pese a su gran
aplicabilidad, no se recomienda sumergir el sensor en agua por un tiempo prolongado. Este
producto se encuentra diseñado mediante un proceso de sellado doble y resistencia de aislamiento
ante impactos mecánicos.
Especificaciones Modelo NTC
Rango de resistencia 0Ohm~10KOhm ±1%
Rango de temperatura -40°C~120°C
Coeficiencia de temperatura 2%~5%
Material Cobre niquelado cilíndrico
Diámetro/largo sensor 4mm/25mm
Longitud del cable 50cm
Contenido del paquete:
1x termistor sensor de temperatura ntc10k.
2.14. Conexión de la sonda de temperatura en la placa de arduino
El sensor DS18B20 tiene tres pines de conexión: dos para alimentación (VDD y GND) y uno
para datos (DATA). En la versión sumergible estos pines se distinguen por el color: el cable rojo
es el pin VDD (voltaje positivo de alimentación), el negro es el GND (tierra) y el amarillo es el
pin de datos:
Ilustración 11. Diagrama del sensor de temperatura
Configuración de los pines para el sensor DS18B20 en su versión sumergible (izquierda) y sin
encapsulado hermético (derecha). Los pines VDD y GND son para la alimentación (positivo y
tierra, respectivamente), y DATA es el pin de datos. Los pines de alimentación se conectarán a los
pines correspondientes en la placa Arduino (5V y GND), y el pin de datos se conectará a uno
cualquiera de los pines digitales de Arduino.
Tabla 4 scripción de pines Sensor DS18B20
DS18B20 Arduino Función
GND (Negro) GND Tierra
DATA (amarillo) cualquier pin digital Datos
VDD (rojo) 5V Voltaje de alimentación
Para facilitar la conexión de Sensor de temperatura se debe realizar de la siguiente manera
Ilustración 12. Conexión en arduino Sensor DS18B20
2.15 Modulo Display LCD
Ilustración 13 Display LCD 16x2 azul
La LCD 16x2 de fondo azul es una pantalla que permite visualizar todo tipo de caracteres en
dos líneas. Dichos caracteres vienen por defecto según los códigos de programación, o también
pueden ser creados y/o diseñados por el usuario. Display LCD de 16 caracteres x 2 líneas. Posee
el controlador SPLC780D1 o equivalente (como HD44780), el más usado en este tipo de
dispositivo. Backlight azul. Esta LCD es usada en copiadoras, máquinas de fax, impresoras láser,
equipos de prueba industrial, equipos de red, tales como routers y dispositivos de almacenamiento.
Puede mostrar dos líneas x 16 caracteres de operación con 5V. Esta pantalla es compatible con
Arduino o cualquier Microcontrolador, compatible al 100% con cualquier Librería LCD de los
compiladores del mercado, ya que cuenta con el controlador SPLC780D1 (HD44780) para LCD's
alfanuméricas. El contraste de las letras es fácilmente controlado a través de un potenciómetro.
Pantalla de cristal líquido (LCD)
De 2 líneas y 16 caracteres
Con iluminación de fondo de color azul, y caracteres color blanco
Voltaje de operación 3.3V o 5V DC
Posee conector de 16 pines
Dimensiones 80mm x 36mm x 13.2mm
2.16. Diagrama de conexión
Ilustración 14 Conexión arduino Display LCD
2.17 Presupuesto
Tabla 5. Presupuesto sensores 1
Producto Cantidad Precio unitario Precio total
Sensor de Turbidez
Analógica para Arduino
Referencia: VIS1698
1 $ 39.416,37 $ 39.416,37
Sensor de temperatura a
prueba de agua DS18B20
Referencia: VIS716
1 $ 8.112,23 $ 8.112,23
Arduino Mega 2560 R3
Compatible
Referencia: VIS81
1 $ 44.999,85 $ 44.999,85
Caja en Acrílico para
Arduino MEGA
Referencia: VIS642
1 $ 6.760,39 $ 6.760,39
Protoboard SYB-46
Referencia: VIS68 1 $ 6.021,40 $ 6.021,40
Cable DuPont Hembra-
Hembra
Referencia: VIS71
1 $ 6.999,58 $ 6.999,58
Cable DuPont Macho-Macho
Referencia: VIS67 1 $ 5.831,00 $ 5.831,00
Cable DuPont Hembra-
Macho
Referencia: VIS69
1 $ 7.350,00 $ 7.350,00
Subtotal $ 125.490,82
Envío y manipulación $ 11.000,00
Total $ 136.490,82
Tabla 6. Presupuesto accesorios 1
Producto Precio c/u Precio total
Adaptador de corriente 5v tipo plu 1 $5.000 $5.000
Cable usb arduino 1 $8.000 $8.000
Caja plástica en pvc 15x15 1 $25.000 $25.000
Medidor Ph Calibrador Phmetro +
envío
1 $20.000 $20.000
TOTAL $58.000
Sensor de Turbidez Analógica para Arduino
Referencia: VIS1698
Sensor de temperatura a prueba de agua DS18B20
Referencia: VIS716
Arduino Mega 2560 R3 Compatible
Referencia: VIS81
Caja en Acrílico para Arduino MEGA
Referencia: VIS642
Protoboard SYB-46
Referencia: VIS68
Cable DuPont Hembra-Hembra
Referencia: VIS71
Cable DuPont Macho-Macho
Referencia: VIS67
Cable DuPont Hembra-Macho
Pantalla lcd x16
Adaptador de corriente 5v tipo plu
Cable usb arduino
Caja plástica en pvc 15x15
Medidor Ph Calibrador Phmetro
2.17 Cronograma de Actividades
Actividad
Semana
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1
0 1
1 1
2 1
3 1
4 1
5 1
6
Diseño de circuito simulado
Compra de materiales
Pruebas de configuración
Implementación del dispositivo
Recolección de muestras directas en el río
Análisis de muestras
Conclusiones
2.18. Diseño del circuito
Apoyados en la herramienta tecnológica Fritzing que es un software para diseño y desarrollo
de circuitos simulados para arduino, con esta herramienta que permite hacer el diseño del
prototipo y ensamblaje de sus componentes para tener una idea clara y organizada del dispositivo
que se implementara.
Ilustración 15. Simulación circuito completo
2.19. Programación en Arduino
Se establece el código fuente de programación para cada sensor según las indicaciones de sus
fabricantes con el fin de unificar los mismos en un solo sketch de arduino y visualizar su
comportamiento y valores programados en una pantalla LCD de 2x16, para tal fin se descargó las
librerías para arduino de los sensores en su página oficial tales son:
LiquidCrystal_I2C-1.1.2
OneWire-2.3.5
DallasTemperature-3.9.0
Ilustración 16 Código de programación fase 1 Librerías
2.20. Implementación y desarrollo del prototipo
Establecido el código fuente de programación y el diseño se procede a la etapa de
implementación donde llevamos a la realidad lo planteado con los componentes electrónicos a fin
de vincular todos y reflejar los resultados deseados en la pantalla Lcd. Se realiza la conectorización
de los componentes en base al circuito diseñado en la figura #15, en la siguiente figura # 17,
observamos avances de la implementación física del dispositivo.
Ilustración 17. Pruebas de implementación Fase 1
2.20. Pruebas
Esta etapa hace referencia a las pruebas de implementación del dispositivo se aplica el código de
programación de cada sensor compilando la información para que reflejaran los datos deseados
en la pantalla LCD mostrando los 3 elementos relevantes en la siguiente figura:
Temperatura = Temp(C)
PH= Ph
Turbidez= TV
Ilustración 18 Código de programación fase 2 Setup
3. Resultados y Análisis
3.1. Resultados
Ilustración 19 Dispositivo Implementado Medición Calidad del Agua
En la imagen anterior se evidencia el montaje físico que consta de Sensor de Turbidez
VIS1698, Sensor de temperatura DS18B20, Arduino Mega 2560, Protoboard SYB-46, Pantalla
lcd x16, cable usb arduino, caja plástica en PVC 15x15, Medidor Ph Calibrador Phmetro, además
de estos elementos se utilizó una resistencia.
3.1.1 Área objeto de trabajo
El área objeto de estudio en el trabajo se encuentra limitada entre la parte alta del río Guatiquía
ubicada en la vereda la argentina específicamente en puente abadía, nuestro segundo punto de
muestreo será en el puente de Bavaria vía antigua Restrepo y por último se tomará una muestra de
la parte baja del río ubicada en el puente salida Villavicencio- Restrepo.
3.1.2 Puntos de muestreo
Los puntos donde se recolectaron las muestras de agua son los siguientes
Muestra 1: vereda la argentina puente abadía.
Muestra 2: puente Bavaria vía antigua Restrepo
Muestra 3: puente Guatiquía salida Villavicencio-Restrepo
Ilustración 20 Ubicación de los tres puntos de muestreo
Ilustración 21 muestra puente abadía ubicación vereda la argentina
3.1.3 Coordenadas primer punto de muestra
Latitud (LAT): 4,236280
Longitud (LONG): -73,635829
Ilustración 22 muestra puente Bavaria ubicación vía antigua Restrepo
3.1.4 Coordenadas segundo punto de muestra
Latitud (LAT): 4,177460
Longitud (LONG): -73,639034
Ilustración 23 muestra puente Guatiquía salida Villavicencio-Restrepo
3.1.5 Coordenadas tercer punto de muestra
Latitud (LAT): 4,159087
Longitud (LONG): -73629913
3.2 Pruebas
En el presente numeral se mostrará el proceso de pruebas realizadas en los tres diferentes
puntos de muestreo del río Guatiquía en la ciudad de Villavicencio.
3.2.1 Prueba en la vereda la argentina- Puente Abadía
Se recolectó una muestra y se realizó la prueba con el dispositivo en puente abadía en la que
se encuentra ubicada una bocatoma de la empresa de acueducto y alcantarillado de Villavicencio
la cual bombea 900 L/S durante 24 horas al día y dicha agua es utilizada para uso doméstico y
consumo humano según la Resolución Nº PS-GJ 1.2.6.19. 0284. (Cormacarena,2019)
Ilustración 24: Bocatoma puente abadía empresa acueducto y alcantarillado Villavicencio.
Ilustración 25: Toma de muestra con el dispositivo directamente en el río
3.2.2 Prueba puente Bavaria- Antigua vía Restrepo
Se recolectó una muestra y se realizó la prueba con el dispositivo en puente de Bavaria antigua vía
a Restrepo en la que se encuentra ubicada una estación de bombeo de la empresa de acueducto y
alcantarillado de Villavicencio.
Ilustración 26: puente Bavaria
Ilustración 27: toma de muestra con el dispositivo directamente al río.
3.2.3 Prueba en puente Guatiquía - Vía Villavicencio-Restrepo
Se recolectó una muestra y se realizó la prueba con el dispositivo en puente Guatiquía vía
Villavicencio- Restrepo.
Ilustración 28: Puente Guatiquía vía Villavicencio-Restrepo
En esta figura podemos observar resultados arrojados por los sensores en tiempo real, aquí
Ilustración 29 Pruebas de medición Monitor serial en arduino
3.2.4. Recopilación Monitor serial datos de muestreo
Tabla 7. Tabla comparativa de muestras
Muestra #1
agua potable
Muestra #2
agua corriente
Muestra #3
punto 1 del rio
Muestra #4
Punto 2 del rio
Muestra #5
punto 3 del rio
temperatura:27.6
2 turbidez:2.52
pH:7.27
temperatura:22.5
0
turbidez:2.86
pH:5.22
temperatura:17.4
4
turbidez:3.00
pH:6.77
temperatura:23.5
6
turbidez:2.50
pH:6.10
temperatura:27.8
1
turbidez:0.57
pH:5.14
temperatura:27.6
2
turbidez:2.51
pH:7.14
temperatura:22.5
0
turbidez:2.86
pH:6.90
temperatura:17.4
4
turbidez:2.99
pH:6.53
temperatura:24.5
0
turbidez:2.50
pH:8.13
temperatura:27.8
1
turbidez:0.57
pH:3.60
temperatura:27.6
2
turbidez:2.52
pH:7.51
temperatura:22.5
0
turbidez:2.86
pH:4.90
temperatura:17.3
7
turbidez:3.00
pH:7.73
temperatura:23.5
0
turbidez:2.51
pH:6.05
temperatura:27.8
1
turbidez:0.57
pH:5.20
temperatura:27.6
2
turbidez:2.52
pH:6.87
temperatura:22.5
0
turbidez:2.87
pH:7.25
temperatura:17.4
4
turbidez:3.00
pH:6.29
temperatura:23.5
0
turbidez:2.51
pH:8.23
temperatura:27.8
1
turbidez:0.56
pH:4.48
temperatura:27.6
2
turbidez:2.52
pH:7.19
temperatura:22.5
0
turbidez:2.87
pH:4.88
temperatura:17.4
4
turbidez:3.00
pH:7.57
temperatura:23.5
6
turbidez:2.51
pH:6.63
temperatura:27.7
5
turbidez:0.56
pH:5.09
temperatura:27.6
2
turbidez:2.52
pH:7.38
temperatura:22.5
0
turbidez:2.87
pH:6.58
temperatura:17.4
4
turbidez:3.00
pH:6.47
temperatura:23.5
0
turbidez:2.51
pH:7.78
temperatura:27.8
1
turbidez:0.55
pH:3.94
temperatura:27.6
2
turbidez:2.52
pH:7.30
temperatura:22.5
0
turbidez:2.87
pH:4.98
temperatura:17.4
4
turbidez:3.00
pH:7.11
temperatura:23.5
0
turbidez:2.52
pH:8.02
temperatura:27.7
5
turbidez:0.55
pH:7.01
temperatura:27.5
6
turbidez:2.52
pH:7.14
temperatura:22.5
0
turbidez:2.87
pH:6.55
temperatura:17.4
4
turbidez:3.00
pH:6.58
temperatura:23.5
6
turbidez:2.52
pH:6.53
temperatura:27.7
5
turbidez:0.55
pH:5.22
temperatura:27.5
6
turbidez:2.53
pH:7.22
temperatura:22.5
0
turbidez:2.87
pH:4.93
temperatura:17.4
4
turbidez:3.01
pH:7.09
temperatura:23.5
0
turbidez:2.52
pH:8.13
temperatura:27.7
5
turbidez:0.55
pH:6.61
temperatura:27.6
2
turbidez:2.52
pH:6.87
temperatura:22.5
6
turbidez:2.87
pH:6.85
temperatura:17.4
4
turbidez:3.01
pH:6.26
temperatura:23.5
6
turbidez:2.52
pH:6.74
temperatura:27.7
5
turbidez:0.55
pH:3.70
3.3 Análisis
Una vez realizado el muestreo en los puntos indicados en la figura #23, recopilamos una serie
de muestras tomadas y medidas con el dispositivo en la tabla # 8, en la cual se hace un
comparativo de 5 tomas las cuales son justificadas, en esta se puede notar los 3 datos que pueden
recopilar los sensores de la siguiente forma:
Temperatura
Turbidez
pH
3.3.1 Toma 1
En esta parte se realizó la prueba con el dispositivo implementado que consisten tomar 200 ml
de agua potable en bolsa, la cual al incorporar los sensores empezamos a ver el comportamiento
de datos en el monitor serial de la placa de arduino, los cuales fueron registrados en la parte
izquierda primera columna de la tabla #8, en base a estos datos podemos interpretar; Temperatura
promedio de 27.6 °C, una turbidez promedio de 2.52 y un pH promedio de 7.1, en ese orden de
ideas se puede decir que para ese día en esta prueba específica de agua potable de un proveedor
común, el dispositivo de medición indica que el agua se encuentra dentro de los estándares
permitidos según la resolución 2115 de 2007 ya que el pH de esta muestra es neutro, con un valor
promedio en un prueba de 10 es de 7.1, según la resolución 2115 el valor máximo aceptable se
ubica en 6.5 a 9.0 lo que indica que el agua es potable, el dato de turbidez se ubica en 2.52 y según
la resolución 2115 valor máximo aceptable es de 2, según la OMS (Organización Mundial para la
Salud), la turbidez del agua para consumo humano no debe superar en ningún caso las 5 NTU
(Nefelométricas de Turbidez) y estará idealmente por debajo de 1 NTU, en esta prueba se puede
decir que está por fuera del valor permitido por la resolución 2115, la temperatura se mantiene
constante en 27.6 °C que es una temperatura ambiente normal para agua en bolsa en condición de
reposo, su color, olor y sabor es normal.
3.3.2 Toma 2
En esta prueba se tomó como muestra 200 ml de agua corriente tomada directamente de la llave,
proporcionada por el acueducto de la ciudad de Guacavia, la cual para ese día bajo las condiciones
de lluvia que se tenían para la fecha de la toma, se obtiene los resultados; temperatura 22 °C, lo
que es una temperatura normal y fresca que llega directamente del acueducto de la ciudad, con una
turbidez de 2.87 constante, según la OMS (Organización Mundial para la Salud), la turbidez del
agua para consumo humano no debe superar en ningún caso las 5 NTU (Nefelométricas de
Turbidez) y estará idealmente por debajo de 1 NTU, el dato de turbidez se ubica en 2.87 NTU y
según la resolución 2115 valor máximo aceptable es de 2.
3.3.4 Toma 3
Esta prueba fue tomada el día 03/11/2020 en la vereda la argentina puente Abadía, véase figura
# 26. Donde se encuentra ubicada una bocatoma de la empresa de acueducto y alcantarillado de
Villavicencio la cual bombea 900 L/S durante 24 horas al día y dicha agua es utilizada para uso
doméstico y consumo humano según la Resolución Nº PS-GJ 1.2.6.19. 0284. La muestra
recolectada directamente en el río, nos permite obtener los siguientes resultados; temperatura
constante de 17.4 °C, según la OMS (Organización Mundial para la Salud), la turbidez del agua
para consumo humano no debe superar en ningún caso las 5 NTU (Nefelométricas de Turbidez) y
estará idealmente por debajo de 1 NTU, el dato de turbidez se ubica en 3.00 NTU y según la
resolución 2115 valor máximo aceptable es de 2.lo que representa un nivel de turbidez levemente
alto, por último se obtiene un pH promedio de 6.84, según la resolución 2115 el valor máximo
aceptable se ubica en 6.5 a 9.0, esta muestra indica que el pH no es totalmente neutro, es de notar
que no es un agua potable y apta para el consumo humano por su combinación turbia y ligeramente
ácida.
3.3.5 Toma 4
Esta prueba fue tomada el día 03/11/2020 sobre la margen del puente Bavaria vía antigua
Restrepo, véase figura # 28. La muestra obtenida en este punto del rio permite capturar los
siguientes datos; la temperatura promedio según las condiciones ambientales y climatológicas ese
día arroja 23.5 °C, según la OMS (Organización Mundial para la Salud), la turbidez del agua para
consumo humano no debe superar en ningún caso las 5 NTU (Nefelométricas de Turbidez) y estará
idealmente por debajo de 1 NTU, según la muestra obtenida en este punto del río es de 2.52 NTU,
por último en la muestra obtenida se tiene un pH promedio de 7.2, lo cual es pH neutro según la
escala de pH, véase figura #4. En comparación de la muestra 3 y la muestra 4 podemos decir que
la muestra 4 presenta un incremento de su temperatura en el recorrido del afluente entre un punto
y otro de 6.1 °C, el nivel de turbidez de la muestra 4 nos indica que es menos turbia por un margen
de 0.48 NTU y el pH de la toma 4 comparado con la muestra 3 nos indica un nivel neutro según
la escala de pH no obstante, ambas muestras en su composición natural no las hacen aptas para el
consumo humano ya que se deben analizar otros aspectos de contaminación presentes en el agua
que no podemos medir con estos sensores tales como; aluminio, níquel, arsénico, cloro, hierro
nitratos, sulfatos y bacterias microbiológicas.
3.3.6 Toma 5
Esta prueba fue tomada el día 03/11/2020 sobre el puente Guatiquía salida Villavicencio-
Restrepo, véase figura #30. La muestra obtenida en este punto del rio nos permite capturar los
siguientes datos; la temperatura promedio según las condiciones ambientales y climatológicas ese
día inicia una temperatura de 27.7 °C, más calidad comparada con las tomas 3 y 4, según la OMS
(Organización Mundial para la Salud), la turbidez del agua para consumo humano no debe superar
en ningún caso las 5 NTU (Nefelométricas de Turbidez) y estará idealmente por debajo de 1 NTU,
en la muestra obtenida 0.55 NTU comparado con las muestras 3 y 4 el nivel de turbidez es
considerablemente bajo, en la muestra del pH se obtuvo en promedio 4.9, siendo la muestra más
irregular en sus 10 datos consecutivos recopilados. Esto nos indica que el nivel de acidez es más
alto en este punto del río, siendo la parte más baja donde se sacó esta muestra es entendible ya que
la interacción del ser humano en este tramo del río es mayor por un asentamiento de viviendas y
por la explotación minera en la ribera del río.
4. Conclusiones y recomendaciones
Para la implementación del dispositivo se creó una simulación en Fritzing en la cual se
diseña el circuito que se ejecutará en la práctica. Gracias a este software se logró plasmar
el prototipo para enseguida empezar su implementación. El código de programación
establecido para el proyecto se logró a través de las librerías dispuestas para arduino en su
página y los referentes en los sitios web de los fabricantes de los sensores usados para el
proyecto.
Luego del diseño se analizó y adquirió todos los elementos electrónicos que hacen
parte en la conformación de este dispositivo electrónico para determinar la calidad
del agua, la pronta llegada de los mismos permitió avanzar ligeramente en el
desarrollo del proyecto, que no solamente servirá para el río Guatiquía de la ciudad
de Villavicencio sino para cualquier afluente hídrico de cualquier región.
Una vez establecidas las referencias de programación se compila el Sketch (Bosquejo)
donde se incorporan las configuraciones de los 3 sensores y el display LCD que permitirá
visualizar los 3 ítems de medición; pH, temperatura y turbidez. Después de haber simulado
el circuito y de haberlo implementado sobre la placa de arduino se realizan las pruebas
iniciales con agua común residencial aportada por el acueducto de la ciudad.
Se analizó las etapas del proyecto, diseño, desarrollo e implementación donde se obtuvo
resultados satisfactorios y precisos ya que los sensores están calibrados correctamente lo
que garantiza que no abra margen de error en la toma de muestras.
Se realizó salida a campo con el fin de georreferenciar los 3 puntos estratégicos de
medición, sitios de los cuales se obtuvo las muestras para su análisis, ya establecidos tales
puntos de muestreos se lleva el dispositivo de medición para hacer pruebas y recolectar
daros en tiempo real.
Una vez obtenidos los resultados deseados en la implementación del dispositivo de
medición de la calidad del agua, se hizo las diferentes pruebas de campo a las muestras
recogidas obteniendo valores de temperatura, pH y turbidez disparejos en todos sus puntos
los cuales permiten tener una idea de la calidad del agua de este río , siendo el último tramo
de muestreo el más desproporcionado en comparación a las demás muestras ya que esta
última muestra refleja un grado mínimo de turbidez, un pH ácido y una temperatura más
cálida. La prueba de pH es un dato vital en todos los puntos de muestreo, aunque el sensor
indica un pH neutro en algunas muestras, no quiere decir que esta agua sea potable,
depende de otros factores microbiológicos y químicos en los componentes del agua para
determinar su grado de potabilidad.
En comparación de las muestras obtenidas en el rio y los parámetros permitidos por el
ministerio de salud y otros entes gubernamentales.
TOM
A
TEMPERATU
RA
RANGO ÓPTIMO TÚRBIDEZ VALOR MÁX.
ACEPTABLE
PH RANGO ÓPTIMO
1 27.6 °C 21 °C – 33 °C 2.52 NTU 2 7.1 6.5 – 9.0
2 22 °C 21 °C – 33 °C 2.87 NTU 2 5.9 6.5 – 9.0
3 17.4 °C 21 °C – 33 °C 3.00 NTU 2 6.8 6.5 – 9.0
4 23.5 °C 21 °C – 33 °C 2.52 NTU 2 7.2 6.5 – 9.0
5 27.7 °C 21 °C – 33 °C 0.55 NTU 2 4.9 6.5 – 9.0
4.2. Recomendaciones
A continuación, se plantean una serie de sugerencias y complementos que pueden aportar al
proyecto planteado en este documento y que, a su vez, serán mejoras importantes para la
recolección de datos más específicos.
Implementación y adaptación en el dispositivo de un kit de transmisión Módulo GSM /
GPRS / GPS SIM 808, el cual se puede conectar a la placa de arduino gracias a su
compatibilidad. El cual permitirá enviar la información en tiempo a través de una simcard
hacia un servidor el cual almacenará la información para realizar estadísticas a través del
tiempo.
Incorporación de modulo memoria SD para arduino, el cual permite almacenar
información captada en pruebas realizadas para su posterior análisis.
Batería de respaldo, la cual se puede llegar a implementar con el uso de paneles solares, el
dispositivo se instala en el punto de muestreo deseado y gracias a sus componentes y
respaldo energético se tendrá información en tiempo real de la capturada por el dispositivo.
Módulo sensor de color tcs3200 arduino raspberry pic, con la incorporación de este sensor
en el dispositivo se podrá analizar el color del agua y sería una gran herramienta de
adaptación para el dispositivo.
Anexos
Anexo a. Código fuente de programación
#include <DallasTemperature.h>
#include <OneWire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>
#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>
#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>
OneWire ourWire(2);
DallasTemperature sensors(&ourWire);
LiquidCrystal_I2C lcd(0x3F, 16, 2);
int ph_pin = A5;
void setup()
{
delay(1000);
lcd.init();
sensors.begin(); // initialize the lcd
Serial.begin(9600);
}
void loop()
{
sensors.requestTemperatures();
float temp= sensors.getTempCByIndex(0);
int sensorValue = analogRead(A0);
float voltage = sensorValue * (5.0 / 1024.0);
int measure = analogRead(ph_pin);
double x = (100 / 1024.0) * measure;
float Po = (-0.2727*x)+(7.3784/0.3437);
delay(1000);
lcd.backlight();
lcd.setCursor(0, 0);
lcd.print("Temp(C):");
lcd.print(temp);
lcd.setCursor(0, 1);
lcd.print("PH:");
lcd.print(Po);
lcd.setCursor(8, 1);
lcd.print("TV:");
lcd.print(voltage);
Serial.print("temperatura:");
Serial.println(temp);
Serial.print("turbidez:");
Serial.print(voltage);
Serial.print("pH:");
Serial.println(Po);
delay(1000);
}
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