Analysis of the level of CO2 pollution in the city
center of Riobamba through a WSN network prototype
Marco Vinicio
Ramos Valencia.[1=
],
Blanca Faustina Hidalgo Ponce.[2], =
Natalia
Patricia Layedra Larreas.[3] &=
amp;
Yessenia Alexandra Bejarano.[4]
Recibido: 01-07-2019 / Revisado:
15-07-2019 /Aceptado: 10-08-2019/ Publicado: 10-09-2019
Abstract. DOI: https://doi.org/10.33262/cienciadigital.v=
3i3.4..841
The purpose of this research is to analyze the lev=
el
of CO2 pollution in the city center of Riobamba through a WSN network proto=
type
to measure pollution rates and current pollution in the most congested stre=
ets
of the city and that these data They are sent in real time for later analys=
is,
in addition to designing a portable and accurate economic device in the
pollution data obtained. First,
a comparative analysis of wireless technologies
was carried out and based on
the analysis of efficiency achieved,
it was determined
that Wi-Fi is the most
appropriate wireless technology for the design of
the network. The precision of
the prototype was determined when calculating the absolute error with data collected from experimental measurements, where it was
shown that the level of
reliability of the prototype is
95% at a maximum height of 2 meters with
a data variation of=
3%, which makes it
stable and precise. Once t=
he
prototype operation=
tests and its validation
have been carried out, it
is concluded that the implemented
prototype meets
Keywords: Computer networks, Environment, Wireless Sensor Network (WSN), Air
Pollution, Carbone Dioxide (CO2).
Resumen
El
fin de esta investigación es analizar el nivel de contaminación de CO2
existente en el centro de la ciudad de Riobamba mediante un prototipo de red
WSN para medir los índices de contaminación y la polución actual en las cal=
les
más congestionadas de la ciudad y que estos datos sean enviados en tiempo r=
eal
para su análisis posterior, además de diseñar un dispositivo económico port=
able
y preciso en los datos de contaminación obtenidos. En primer Lugar, se real=
izó
un análisis comparativo de tecnologías inalámbricas y según el análisis de
eficiencia conseguido, se determinó que Wi-Fi es la tecnología inalámbrica =
más adecuada
para el diseño de la red. La precisión del prototipo se determinó al realiz=
ar
los cálculos del error absoluto con datos recogidos de mediciones experimen=
tales,
en donde se demostró que el nivel de confiabilidad del prototipo es del 95%=
a
una altura máxima de 2 metros con una variación de datos del 3%, lo que lo =
hace
estable y preciso. Una vez realiza=
das
las pruebas de funcionamiento del prototipo y validación del mismo, se conc=
luye
que el prototipo implementado cumple con los requerimientos necesarios para=
que
la red sea segura, portable, de fácil configuración y sobre todo es escalab=
le
por lo que permite la inserción de nodos sin complicación alguna luego de q=
ue
la red ya ha sido implementada.
Introducción
En el mundo globalizado que nos encontramos en la
actualidad la tecnología avanza a pasos agigantados, obligándonos a cambiar
todo e incluso las actividades que realizamos a diario, a esto se une tambi=
én
los grandes avances que se han evidenciado en el área de las comunicaciones
inalámbricas, en donde las redes de sensores inalámbricos cada vez obtienen=
un
mayor auge en diversas aplicaciones; debido al gran aporte que realizan las
redes WSN y sumado los avances tecnológicos existentes, la implementación d=
e prototipos
en áreas ambientales representan una estrategia clave para contribuir con el
problema de contaminación por CO2.
Riobamba es una de las ciudades que no está exenta=
del
problema de contaminación por CO2 generado por el parque vehicular y actual=
mente,
en la ciudad, no se ha diseñado una red que permita supervisar los valores =
de
concentración de CO2, por lo que, el presente proyecto pretende determinar =
las
características más adecuadas para realizar el diseño de la red de sensores
inalámbricos, que permitan implementar un prototipo de red WSN que mida los
niveles de concentración de dióxido de carbono en el centro de la ciudad de
Riobamba y los almacene en una base de datos para su posterior visualización
mediante un reporte gráfico.
El prototipo de red WSN a implementarse constituye=
una
herramienta útil y de bajo costo que servirá de gran ayuda para que las
instituciones locales cuenten con información diaria de la contaminación de=
CO2
existente en el centro de la ciudad de Riobamba, esta información es
fundamental ya que al recopilar los datos constantemente, las autoridades
pueden buscar oportunas soluciones cuando se incrementen los niveles de con=
taminación,
de esta forma se podrá mitigar el impacto que causa la contaminación del ai=
re
en la salud de las personas, contribuyendo así en el buen vivir de las y los
riobambeños.
Las redes WSN pueden incluir divers=
os
tipos de sensores para medir factores en diferentes ámbitos, tales como:
aplicaciones militares, industriales, ambientales, entre otras.
· =
Aplicaciones
militares: Con ayuda de las WSN es posible desplegar una vigilancia de
misiones.
· =
Aplicaciones
Industriales: Debido a los avances en la tecnología de sensores, las WSN
prevalecen en diversas aplicaciones industriales como, por ejemplo: en la
supervisión de refinerías de petróleo, monitorización de tuberías, etc.
· =
Aplicaciones
Ambientales: Las redes WSN se utilizan ampliamente para monitorización ambi=
ental
y de vida silvestre, tales como: seguimiento de aves o animales, riego
automático, estudios de contaminación, entre otros. (Reda y Mellouk, 2016: pp. 11-12)
Tecnologías de comunicación inalámb=
rica
Zigbee. - <=
/span>La tecnología inalámbrica Zigbee es=
tá
diseñada para sistemas de baja potencia con una velocidad baja de transmisi=
ón
de datos, opera en las bandas ISM del espectro de radio y utiliza la técnic=
a de
espectro expandido para el transporte de la información hacia su destino; e=
sta
tecnología se basa en el estándar IEEE 802.15.4 destinado para redes WPAN de
bajo coste.
Particularmente, esta tecnología es=
tá
orientada a la domótica, pero también es muy utilizado en sistemas de contr=
ol y
medida, ya que ofrece la capacidad de utilizar microcontroladores pequeños y
baratos; debido a la baja expectativa en su velocidad de transmisión, los
dispositivos finales Zigbee son capaces de configurarse en modos de reposo,
esto hace que Zigbee sea ideal para aplicaciones que requieran un consumo
mínimo de energía. (Toulson y Wilmshurst, 2012).
Wi – Fi. - Es
la tecnología inalámbrica de conexión de bajo coste que permite el transpor=
te
de información a distancias limitadas; esta tecnología de comunicación
inalámbrica se basa en el estándar IEEE 802.11 y utiliza la técnica de radi=
o de
espectro extendido para que la señal se pueda propagar dentro del intervalo=
de
frecuencias de los anchos de banda públicos permitidos. (Black, 2010)
Wi – Fi permite implementar redes
locales sin la necesidad de hacer uso de cables, debido a que esta tecnolog=
ía
utiliza ondas de radio y señales infrarrojas en la banda de frecuencias lib=
res;
existen diferentes versiones de las redes inalámbricas Wi – Fi, entre las m=
ás
utilizadas se encuentran las siguientes: IEEE 802.11a, IEEE 802.11b e IEEE
802.11g; sin embargo, actualmente la última versión IEEE 802.11n es la que =
se
impone en el mercado. (Cabezas y González, 2010)
WiMAX. - Es la tecnología para redes inalámb=
ricas
de banda ancha (WLAN o WMAN) diseñada para competir con las redes xDSL y cable – módem debido a que no es necesari=
o que
exista visión directa para realizar la conexión de la red, se considera como
una alternativa de solución para la instalación de plataformas empresariale=
s.
Esta tecnología se basa en el estándar IEEE 802.16 permitiendo ofrecer
servicios de voz y datos ya sea de forma residencial o comercial; WiMAX bri=
nda
movilidad a los usuarios ya que es capaz de llegar a lugares donde otras te=
cnologías
no pueden funcionar, es así que, compite directamente con la tecnología Wi-=
Fi,
pero se antepone a ésta debido a que incorpora QoS
(calidad de servicio), característica que las redes WiFi no son capaces=
de
asegurar. (Huidrobo, 2011)
Metodología
En este apartado se detalla el dise= ño metodológico que se utiliza para el desarrollo de la propuesta tecnológica,= así como también se especifican los requerimientos necesarios para realizar el diseño de la red de sensores inalámbricos, considerando el buen rendimiento= y asegurando una buena relación beneficio-costo; de igual manera se especific= an las pruebas de funcionamiento realizadas para la validación del prototipo.<= o:p>
La metodología que se utiliza en el
presente proyecto se basa en una investigación tecnológica experimental de
carácter mixto, en donde se aplica el método inductivo para recopilar la in=
formación
necesaria que permita determinar las características más adecuadas para que=
la
red WSN realice la correcta monitorización de los niveles de contaminación =
de
CO2 del aire, mientras que la técnica de recopilación de datos más acertada
para la ejecución del proyecto es el método de campo, en donde, durante un
tiempo determinado se analizan, obtienen y recogen datos de los niveles de
concentración de dióxido de carbono por medio de los nodos sensores de la r=
ed.
La propuesta tecnológica es de cará=
cter
mixto, ya que durante todo el proceso investigativo y de ejecución de las
pruebas de funcionamiento del prototipo, se analizan variables tanto
cualitativas como cuantitativas. Por otro lado, la población determinada pa=
ra
este proyecto son los habitantes de la ciudad de Riobamba de la provincia de
Chimborazo, en donde se realiza un muestreo no probabilístico para determin=
ar
la muestra de estudio, por lo tanto, para establecer la muestra en donde se
ejecutarán las pruebas de funcionamiento del prototipo, se consideran los
siguientes criterios: ambiente de menor congestionamiento vehicular y ambie=
nte
con mayor congestionamiento vehicular.
Diseño de la
Red de Sensores Inalámbricos
Para evaluar cada una de las
tecnologías inalámbricas se utiliza la escala Likert, en donde se estima una
ponderación para establecer el nivel de eficiencia que tienen las
características de cada tecnología; la escala de valoración que se utiliza =
se
indica en la Tabla 1.
Tabla 1: Escala de valoración
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
Nada eficiente |
Ineficiente |
Poco eficiente |
Eficiente |
Muy eficiente |
|
0% |
1-25% |
26-50% |
51-75% |
76-100% |
Elaborado
por: Los autores
Por otro lado, para cono=
cer
la eficiencia final de cada una de las tecnologías, se calcula la ponderaci=
ón
que tiene cada tecnología evaluada; para el cálculo de la ponderación se
utiliza la ecuación 1.
En
donde:
En la Tabla 2 se puede observar el
cuadro comparativo de las tecnologías de comunicación inalámbrica, <=
span
lang=3DES-EC style=3D'font-size:12.0pt;line-height:115%;font-family:"Times =
New Roman",serif'>se
indica el nivel de incidencia de las características de las tecnologías
evaluadas, así como también la eficiencia resultante de cada una de ellas, =
en
donde la tecnología que sobresale es Wi-Fi con el 80%.
Tabla 2: Comparación de tecnologías de
comunicación inalámbrica
|
Característica |
Zigbee |
Wi – Fi (n) |
WiMAX |
|||
|
|
Teórico |
Nivel Incidencia |
Teórico |
Nivel Incidencia |
Teórico |
Nivel Incidencia |
|
Velocidad (Mbps) |
0.250 |
2 |
450 |
4 |
80 |
3 |
|
Alcance |
10 – 100 m |
2 |
100m |
3 |
50Km |
4 |
|
Frecuencia (GHz<=
/a>) |
2.4 |
4 |
2.4 |
4 |
2 - 11 |
4 |
|
QoS |
- |
4 |
- |
4 |
- |
5 |
|
Consumo |
- |
5 |
- |
5 |
- |
4 |
|
Costo |
- |
5 |
- |
4 |
- |
3 |
|
Ponderación de eficiencia |
|
73.33% |
|
80% |
|
76.67% |
Elaborado por: Los autores
La
red de sensores inalámbricos a desarrollar se basa en una red tipo estrella=
con
tecnología Wi-Fi, integrada por un mecanismo de detección y un mecanismo de
control que cumplen con los requerimientos tanto de hardware como de softwa=
re
que intervienen en el diseño de la red.
Figura. 1: Diseño de la=
Red
de sensores inalámbricos
Mecanismos
de la Red WSN
A
continuación, se detallan los bloques que integran cada uno de los mecanism=
os
de la red WSN, así como también se indica la función que desempeña cada
mecanismo.
a. &n=
bsp;
Mecanismo de detección
Esta
etapa tiene a cargo, la función de recoger la información y enviarla al
mecanismo de control; el mecanismo de detección está integrado por cuatro
bloques: alimentación, procesamiento, localización y sensores. El bloque de alimentación del mecanismo=
de
detección es el que se encarga de proveer energía para el funcionamiento de=
los
bloques de procesamiento, localización y sensores.
A
su vez, el bloque de localización es el encargado de entregar la ubicación =
del
nodo sensor, finalmente el bloque de procesamiento es el que procesa la
información recibida tanto del bloque de sensores como del bloque de
localización y transmite dicha información por la red. En la Figura 2-2, se indican los bloque=
s que
forman parte del mecanismo de detección.
Figura 2: Bloques
del mecanismo de detección
·&nb=
sp;
Bloque de Alimentación. -Para el bloque de alimentación se
toma en cuenta el cálculo de duración de la batería para estimar el tiempo
necesario de ejecución de las pruebas de funcionamiento del prototipo, en d=
onde
el tiempo de duración de la batería se calcula con la ecuación (2).
Se utilizan dos tipos de baterías; la primera batería se
encarga de proveer energía a las tarjetas electrónicas que se utilizan en l=
os
bloques tanto del mecanismo de control como el de detección, así como tambi=
én
para el módulo GPS UBlox Neo 6M del bloque de localización del mecanismo de
detección; la segunda batería en cambio se encarga específicamente del módu=
lo
sensor MG811 del bloque sensor del mecanismo de detección, ya que el módulo
sensor MG811 necesita una fuente de alimentación más alta que ofrezca mejor=
es
prestaciones debido a que su consumo de energía es más elevado a diferencia=
de
los otros componentes.
La batería que se utiliza en el bloque de alimentación del
mecanismo de detección es una batería recargable polímero ion de litio de 3=
.7V
– 1000mAh; este tipo de batería cuenta con protección ante sobrecargas y
trabaja a una temperatura de 20º C.
En la Tabla 3, se indica el consumo de corriente que tien=
en
los dispositivos del bloque de procesamiento y de localización del mecanism=
o de
detección (Bootscience, 2019), en donde se puede observar que el consumo to=
tal
es de 175mA.
Tabla 3: Consumo de l=
os
dispositivos que integran el mecanismo de detección
|
Dispositiv=
os |
Corriente =
(mA) |
|
NodeMCU v3=
|
120 |
|
GPS UBlox =
NEO
6M |
55 |
|
TOTAL |
175 |
De igual manera que la batería seca, la batería de litio =
se
conecta a un elevador de tensión para ajustarle a un voltaje de 5V debido a=
que
las tarjetas electrónicas que se utilizan en el prototipo necesitan de este
voltaje para su normal funcionamiento; en cuanto a la corriente de salida q=
ue
se obtiene es de aproximadamente 1500mA, y su tiempo de descarga es el sigu=
iente
(Del Valle, 2018).:
Por otro lado, el consumo de energía de los dispositivos del bloque de
procesamiento y almacenamiento del mecanismo de control se detallan en la T=
abla
4
Tabla 4: Consumo de l=
os
dispositivos que integran el mecanismo de control
|
Dispositiv=
os |
Corriente =
(mA) |
|
NodeMCU v3=
|
120 |
|
Raspberry =
Pi 3
Model B |
350 |
|
TOTAL |
470 |
El
consumo total de los dispositivos del mecanismo de control es de 470mA, deb=
ido
a esto se utiliza una batería polímero ion de litio que tenga una corriente=
más
elevada para abastecer al mecanismo de control sin inconveniente alguno.
Las
baterías que integran el bloque de alimentación del mecanismo de detección
tienen un tiempo de descarga aproximado de 10 y 8 horas para la batería sec=
a y
batería de litio respectivamente, mientras que la batería de litio que se
utiliza para el bloque de alimentación del mecanismo de control tiene un ti=
empo
de descarga aproximado de 7 horas; es así que en base a los cálculos realiz=
ados
anteriormente se estima que el tiempo necesario para realizar la ejecución =
de
las pruebas de funcionamiento del prototipo sin ningún inconveniente es de 6
horas al día.
b. &n=
bsp;
Mecanismo de control
Esta
etapa permite almacenar y visualizar la información recibida del mecanismo =
de
detección una vez que ya ha sido procesada; este mecanismo se integra de cu=
atro
bloques: alimentación, procesamiento, almacenamiento y visualización.
El
bloque de procesamiento del mecanismo de control es exactamente el mismo qu=
e se
utiliza en el mecanismo de detección, pero varía en el modo de configuració=
n de
la placa electrónica ya que se configura en modo =
AP (Access
Point).
Por
otro lado, el bloque de alimentación es similar al que se utiliza en el
mecanismo de detección, pero difiere en la utilización de la batería seca.<=
span
style=3D'mso-spacerun:yes'> A continuación, se indica la función que
cumplen los demás bloques del mecanismo de control como se pueden observar =
en
la Figura 2.
Figura
2: Bloques del
mecanismo de control
·&nb=
sp;
Bloque de Almacenamiento. - En esta etapa se utiliza la p=
laca
electrónica Raspberry Pi 3 Model B para instalar un servidor Web que permita
crear una base de datos MySQL para almacenar los datos recibidos por el
mecanismo de control a través de una página web creada.
·&nb=
sp;
Bloque de Visualización. -El bloque de visualización es un
complemento del bloque de almacenamiento del mecanismo de control, ya que
mediante la creación de una página web en el servidor y con la ayuda de la
librería HighChart es posible crear un reporte gráfico de la información
almacenada en la base de datos, esto con el objetivo de que las autoridades
gubernamentales puedan observar de una manera sencilla las variaciones de l=
os
niveles de concentración de CO2 en función del tiempo.
Herramientas software
a. =
Software
Arduino IDE. - El Software Arduino IDE (Arduino Integrat=
ed
Development Environment) es un entorno de programación de código abierto qu=
e se
basa en el lenguaje C++; este software permite comunicarse con el hardware
Arduino para cargar el software de programación desarrollado (Arduino, 2015=
).
Para el desarrollo del software de medición de dióxido de carbono se hizo u=
so
del Software Arduino IDE v1.6.7.
b. Sistema
Operativo Raspbian. - Raspbian es una distribución li=
bre de
los sistemas operativos GNU/Linux, basado en Debian; raspbian es el sistema
operativo oficial soportado por raspberry pi y ofrece más de 35000 programas
precompilados para el desarrollo de aplicaciones en una raspberry (Raspberry
Pi, 2017).
c. =
Servidor web Apache. - El servi=
dor http
Apache es un software de código abierto orientado a la implementación de có=
digo
fuente robusto, de calidad y que se encuentre libremente disponible en un
servidor web o http; este servidor puede ser implementado en plataformas que
integren el protocolo HTTP (Protocolo de transferencia de hipertexto) (Apac=
he,
2018).
Software de medición de dióxido de
carbono
El
software de monitorización entra en funcionamiento una vez que el bloque de
alimentación de los mecanismos de detección y control proporcionan la energ=
ía
para que la red WSN inicie la conexión entre los mecanismos. El mecanismo de
control es el encargado de emitir la señal de la red Wi-Fi, de igual manera=
recibe
y acepta las peticiones de conexión a la red realizadas por el mecanismo de
detección; a su vez el bloque de almacenamiento inicia su funcionamiento cu=
ando
se conecta a la red, en donde recibe y acepta las peticiones de envío de da=
tos
del mecanismo de detección para su posterior almacenamiento en la base de d=
atos
SQL y generación del reporte gráfico.
Por
otro lado, cuando el mecanismo de detección ejecuta su proceso de
funcionamiento, se inicia la comunicación serie del gps e inmediatamente
detecta la señal de la red Wi-Fi para establecer la petición de conexión al
mecanismo de control, una vez que se encuentra conectado a la red obtiene l=
os
datos de posicionamiento y de concentración de CO2 en ppm y
establece la conexión con el servidor para el envío de datos a través de la
página web del servidor, finalizando de esta manera el proceso que cumple el
mecanismo de detección.
Ambientes
de Prueba
Una
vez comprobado el funcionamiento del prototipo se procede a la instalación =
de
la red WSN en el centro de la ciudad de Riobamba, en donde los ambientes
seleccionados para realizar las pruebas de monitorización de concentración =
de
CO2 se consideraron en base al congestionamiento vehicular
existente.
Además,
los lugares seleccionados fueron recomendados por la Dirección de Gestión,
Salubridad e Higiene; el Ambiente A de prueba es considerado el punto de me=
nor
congestionamiento vehicular y corresponde al GADM=
de Riobamba, mientras que el punto de mayor congestionamiento corresponde al
Ambiente B del sector del Terminal Terrestre.
Las
pruebas de funcionamiento del prototipo de medición de CO2 en el
centro de la ciudad de Riobamba se realizaron por un periodo de 6 días en d=
os
etapas; cada etapa de prueba se la ejecutó por tres días consecutivos en los
horarios de 8-10 AM, 12-14 PM y 17-19PM, considerados como las horas pico e=
n la
ciudad.
Resultados
Luego
de haber desarrollado el prototipo de medición de dióxido de carbono se pro=
cede
a realizar las respectivas pruebas de funcionamiento para la validación del
mismo; previo a la instalación del prototipo de red WSN en los dos ambiente=
s de
prueba seleccionados se tomaron mediciones de los niveles de concentración =
de
CO2 directamente de una fuente emisora de dióxido de carbono.
De
igual manera se realizaron mediciones variando la altura para seleccionar la
altura adecuada de ubicación de los nodos sensores de la red. La fuente de emisión directa de CO=
2
utilizada para las pruebas de funcionamiento es una bomba de agua a gasolina
utilizada en las lubricadoras.
Para
determinar la precisión del prototipo de monitorización y validar el
funcionamiento del mismo se realizaron cálculos, en donde se toma en cuenta=
la
media y el error absoluto debido a que los datos provienen de mediciones
experimentales; los cálculos se realizaron con las ecuaciones (3) y (4), en
donde se toma en consideración un total de 43 muestras en un tiempo aproxim=
ado
de 20 segundos según el resultado de las mediciones realizadas.
·&nb=
sp;
MEDIA
donde:
La
calidad y sensibilidad del prototipo de medición de dióxido de carbono se
determinó específicamente al realizar el cálculo del error absoluto, ya que=
el
resultado obtenido representa el error entre la medida real y el valor obte=
nido
por los sensores, para realizar este cálculo se utilizó la ecuación (4).
·&nb=
sp;
ERROR
ABSOLUTO
=
donde:
Para obtener el error absoluto que tiene el
prototipo de medición de CO2 al variar la altura, se logró obten=
er
una concentración aproximada de 700ppm; este valor se tomó en cuenta como
medida de referencia ya que en la gráfica de la curva característica del se=
nsor
se puede observar fácilmente que para una concentración de 700ppm se obtien=
e un
voltaje de 0.310V antes de la etapa de amplificación del módulo sensor; por
otro lado, para determinar la altu=
ra
máxima de ubicación de los nodos sensores de la red se realizaron varias
pruebas, en donde se obtuvieron resultados relevantes con las alturas que se
indican en las Tablas 5 y 6 para obtener estos resultados se instalaron los=
dos
nodos sensores a la vez, de esta manera se pudo verificar la variación de
precisión que tiene el prototipo de monitorización.
En la Tabla 5 se puede observar que para una alt=
ura
de 150cm existe un error del 4%, mientras que al aumentar la altura en 50cm
existe una variación del 1% en el error absoluto del prototipo de medición =
de
CO2.
Tabla 5: Error absoluto a 150cm de altura
|
Voltaje (mV) |
|
|
|
|
|
|
314 |
701ppm |
15 |
10515 |
702.0232558 |
1.0232558 |
|
314 |
702ppm |
12 |
8424 |
702.0232558 |
0.0232558 |
|
314 |
703ppm |
16 |
11248 |
702.0232558 |
0.9767442 |
|
ERROR ABSOLUTO |
0.04 |
En la Tabla 6 se indica el error absoluto que ti=
ene el
prototipo de medición de dióxido de carbono a una altura de 200cm, en donde=
el
error resultante es de 0.05 lo que significa que la altura máxima permitida
para que el prototipo tenga un 95% de confiabilidad es de 200cm.
Tabla 6: Error absoluto a 200cm de altura
|
Voltaje (mV) |
=
|
=
|
=
|
=
|
|
|
314 |
701ppm |
7 |
4907 |
702.2790698 |
1.2790698 |
|
314 |
702ppm |
17 |
11934 |
702.2790698 |
0.2790698 |
|
314 |
703ppm |
19 |
13357 |
702.2790698 |
0.7209302 |
|
ERROR ABSOLUTO |
0.05 |
El
Ambiente A de prueba corresponde al GADM de Riobamba, en donde se ejecutaron
las pruebas de monitorización de los niveles de concentración de dióxido de
carbono existentes en el lugar determinado por un periodo de tres días
consecutivos. Las pruebas de
funcionamiento se realizaron durante 6 horas diarias en los horarios
establecidos anteriormente para un día normal de trabajo y durante el fin de
semana con el fin de observar la variación de los niveles de CO2=
.
a.
Instalación de los=
mecanismos
de la red WSN
Para
la instalación de los mecanismos de la red WSN en este ambiente se utilizó =
la
infraestructura de la red Wi-Fi del GAD Municipal de Riobamba y debido a los
requerimientos de la Dirección de Gestión de Tecnologías de la Información =
de
la institución se instaló un solo nodo sensor, además fue necesario hacer u=
so
de corriente continua para alimentar a los mecanismos de la red con cargado=
res
adecuados, ya que al ser una institución pública el acceso los fines de sem=
ana
es restringido.
El
mecanismo de detección del prototipo de la Red WSN se instaló en el balcón =
del
Salón José María Román, mientras que el mecanismo de control tuvo una
variación, ya que al utilizar la infraestructura Wi-Fi montada por la Direc=
ción
de Gestión de Tecnologías de la Información, el dispositivo del bloque de
procesamiento fue reemplazado por un router Cisco.
Cabe
recalcar que, por disposición de las autoridades, el lugar de ubicación del
mecanismo de detección fue en el balcón, por lo tanto, se sobrepasa el nivel
máximo de altura permitido determinado anteriormente, lo que significa que =
al
ubicarse a una altura aproximada de 3.5m el nivel de confiabilidad que tien=
e el
prototipo disminuye en un 4%.
Por
el contrario, el mecanismo de control integrado por el nuevo dispositivo del
bloque de procesamiento se instaló en una caja metálica que se encuentra ju=
nto
al balcón, esto por motivos de seguridad de los equipos.
b.
Análisis de gráfic=
as
Una
vez finalizada las pruebas de funcionamiento del prototipo de monitorizació=
n,
con ayuda del bloque de visualización del mecanismo de control se pudo obse=
rvar
las gráficas de cada uno de los días en los que se realizaron las pruebas de
funcionamiento. En los Gráficos. 1=
, 2 y
3 se puede observar la variación de los niveles de concentración de CO=
2
registrados durante los tres días de prueba en los horarios establecidos.
Figura 3: Monitorizaci=
ón – viernes,
agosto 16 del 2019
En
la Figura. 3 se indican las variaciones de concentración de CO2 registradas=
el
día viernes, 16 de agosto del presente año, en donde el nivel más alto de
concentración registrado en la mañana fue de 1616ppm, mientras que para la
tarde el nivel de concentración aumentó a 1843ppm y en la noche disminuyó a
1243ppm.
Figura.
4: Monitorización – sábado, agosto 17 del 2019
Las
variaciones de concentración de CO2 registradas el día sábado, 17 de agosto=
se
indican en el Figura 4, en este día se registró un valor de 1547ppm como la
concentración más alta en la mañana, a su vez en la tarde se evidenció un
aumento llegando a los 1726ppm y descendiendo por la noche a 1090ppm.
Figura. 5: Monitorizaci=
ón –
Domingo, agosto 18 del 2019
Por
el contrario, en el día domingo, 18 de agosto se registraron niveles de
concentración más bajos en comparación a los demás días ya que no existe la
continua presencia de automotores, es así que para la mañana el nivel más a=
lto
de concentración de CO2 fue de 956ppm, mientras que para la tarde y la noch=
e se
registró una disminución de 768ppm y de 735ppm respectivamente.
La
medición realizada en un día normal de trabajo registra variaciones de
concentración de CO2 más altas en comparación a las variaciones registradas=
en
el fin de semana, además el pico más alto de concentración de dióxido de
carbono en este ambiente se registró en un día normal de trabajo ya que
alrededor de este ambiente se encuentran varias instituciones, por lo tanto,
existe la concurrencia de automotores especialmente en las horas de entrada=
y
salida de las instituciones.
El
Ambiente B está localizado en la Av. La Prensa y Agustín Dávalos, Sector del
Terminal Terrestre; las pruebas de funcionamiento de este ambiente se
realizaron a la semana siguiente de haber realizado las pruebas de
funcionamiento en el Ambiente A; al igual que en el Ambiente A se ejecutaron
las pruebas en el mismo horario y días establecidos.
a.&n=
bsp;
Instalación de los mecanismos de la=
Red WSN
En
la instalación del mecanismo de detección integrado por los dos nodos senso=
res,
el nodo 1 se ubicó a 150cm de altura, mientras que el nodo 2 se instaló a 2=
00cm
de altura, de esta forma se aseguró el 95% de confiabilidad del prototipo en
base a los cálculos de precisión del prototipo realizados anteriormente.
Por
otro lado, el mecanismo de control se instaló aproximadamente a 40m de
distancia del lugar de ubicación del mecanismo de detección; cabe indicar q=
ue
al ser una red Wi-Fi no se puede exceder los 100m de alcance que tiene la
tecnología.
Al
igual que en el Ambiente A se realizó un análisis de los gráficos obtenidos=
, en
donde los resultados de las variaciones de dióxido de carbono registrados el
día Viernes, 25 de agosto del presente año son las siguientes:
· El pico más alto de concentración d=
e dióxido
de carbono registrado por el sensor 1 en la mañana fue de 1581ppm, mientras=
que
existe una variación mínima en la medición realizada por el sensor 2, en do=
nde
el valor fue 1547ppm.
· Los niveles de concentración de dió=
xido de
carbono, en la tarde y noche de un día normal de trabajo en el Ambiente B se
incrementaron, en la tarde los niveles que se alcanzaron fueron de 1894ppm y
1878ppm registrados por el nodo sensor 1 y el nodo sensor 2 respectivamente,
mientras que en la noche el nodo sensor 1 detectó un nivel de 2055ppm y el
valor registrado por el nodo sensor 2 fue de 2019ppm.
En
cambio, en la medición del nivel de concentración de dióxido de carbono
realizado el día Sábado, 24 de agosto, se consiguieron los siguientes
resultados:
· En la mañana, el nodo sensor 1 dete=
ctó
1689ppm, mientras que el valor registrado por el nodo sensor 2 fue de 1652p=
pm.
· Por otro lado, en la tarde el nivel=
máximo
fue de 1742ppm y 1717ppm registrados por el sensor 1 y 2 respectivamente,
mientras que en la noche se llegó a un nivel de 1764ppm registrado por el n=
odo
sensor 1 y de 1726ppm registrado por el sensor 2.
Finalmente, los resultados que se consiguieron el
día domingo, 25 de agosto, se detallan a continuación:
·&nb=
sp;
Los niveles máximos alcanzados por el nodo senso=
r 1
y 2 en la mañana fueron de 1066ppm y de 1021ppm respectivamente.
·&nb=
sp;
Por la
tarde y noche, los niveles de concentración de dióxido de carbono disminuye=
ron
a diferencia de los días anteriores; el resultado registrado en la tarde fu=
e de
838 ppm y de 820ppm detectados por el sensor 1 y 2 respectivamente, mientras
que en la noche el nodo sensor 1 registró un nivel de 895ppm y el valor del
nodo sensor 2 fue de 876ppm.
En la
medición realizada por los nodos sensores en el Ambiente B, se registró una
diferencia mínima en las concentraciones medidas por cada sensor, además pa=
ra
este Ambiente, en los días viernes y sábado se registraron niveles de
concentración más altos, en donde el pico más alto de dióxido de carbono se
registró en un día normal de trabajo.
Luego
de haber realizado las pruebas de funcionamiento del prototipo y almacenado=
la
información recibida en la base de datos, se creó un histórico con los datos
más relevantes según el análisis de gráficas realizado de cada uno de los
ambientes de prueba.
Cabe
recalcar que no se puede realizar un análisis de todos los datos recopilado=
s en
la base de datos, debido a que cada uno de los ambientes en donde se realiz=
aron
las pruebas tienen distintas condiciones, pero mediante la creación del his=
tórico
se pudo observar que efectivamente tanto el Ambiente A como el Ambiente B
presentan niveles de concentración de CO2 que no sobrepasan los
niveles máximos tolerables de CO2 (5000pppm) según la Tabla 7.
Además,
el nivel más alto de concentración de CO2 se registró en el Ambi=
ente
B del sector del Terminal Terrestre, este valor registrado se considera
equivalente al nivel de concentración de CO2 permitido para el <=
span
style=3D'mso-bidi-font-weight:bold'>aire en oficinas con ventanas cerradas,=
por
lo tanto, se determina que la contaminación existente aún no representa un
riesgo grave para la salud de los habitantes de la ciudad de Riobamba.
<=
span
style=3D'mso-bookmark:_Toc494451338'>Tabla 7: Lugares y niveles de concentración de CO2
permitidos<=
span
lang=3DES-EC style=3D'font-size:12.0pt;font-family:"Times New Roman",serif;
mso-bidi-font-weight:bold'>
|
Nivel
de concentración de Co2 |
Lugares |
|
|
%
<=
sup> |
ppm |
|
|
0,04 |
400 |
Valor promedio mundial (aire limpio) |
|
0,07 |
700 |
Aire limpio en una ciudad |
|
0,1 |
1000 |
Aire en interiores |
|
0,15 |
1500 |
Aire en oficinas |
|
0,2 |
2000 |
Aire en oficinas con ventanas cerradas |
|
0,5 |
5000 |
Valor máximo tolerable |
Para determinar la estabilidad se utilizó la media,
desviación típica y el coeficiente de variación; cabe recalcar que el
coeficiente de variación es el que permite comparar la dispersión existente
entre dos diferentes distribuciones.
En este caso, la estabilidad del prototipo se
determinó en base a los datos históricos obtenidos por la NOAA (National
Oceanic and Atmospheric Administration) y los datos recopilados por el
prototipo de red WSN desarrollado (NOAA, 2019)
Con ayuda del software estadístico R, se logró obt=
ener
el resultado de la variación de los datos de las dos distribuciones diferen=
tes,
en donde se comprobó que existe una variación aproximada del 1% tal como se
indica en la Tabla 8.
Tabla 8:
Diferencia de variación entre dos distribuciones diferentes
|
Datos
NOAA |
Datos
Red WSN |
Media |
Desviación
Típica |
Coeficiente
de variación (%) |
|
404.47 |
404 |
404.23 |
0.3323 |
0.0822 |
|
404.59 |
400 |
402.29 |
3.2456 |
0.8067 |
|
404.65 |
400 |
402.32 |
3.2880 |
0.8172 |
|
404.40 |
400 |
402.2 |
3.1112 |
0.7735 |
|
404.65 |
407 |
405.82 |
1.6617 |
0.4094 |
|
404.82 |
400 |
402.5 |
3.5355 |
0.8783 |
Según los resultados obtenidos de la variación
existente entre los datos recogidos por el un sensor respecto al otro, se
determinó que la variación máxima de los datos es del 3%; el porcentaje de
variación resultante se encuentra dentro del rango permitido por el INEC [1=
5],
por tanto, se considera que el prototipo de red WSN para la monitorización =
del
nivel de contaminación de CO2 es estable
Conclusiones
·&nb=
sp;
La tecnología seleccionada para el diseño del prototipo de red WSN s=
egún
el análisis comparativo de tecnologías es Wi-Fi con el 80% de eficiencia to=
tal
resultante; además al ser un prototipo destinado para instituciones
gubernamentales, implementar el prototipo en base a la tecnología Wi-Fi es =
la
mejor opción ya que existe una infraestructura de red Wi-Fi en diversos pun=
tos
de la ciudad de Riobamba.
·&nb=
sp;
El prototipo de medición de dióxido de carbono está integrado por un
mecanismo de detección y un mecanismo de control, en donde los elementos que
conforman cada uno de los mecanismos se seleccionaron en base a un análisis
comparativo y según el nivel de eficiencia evaluado; cabe destacar que la m=
ejor
opción a utilizar como plataforma es NodeMCU con el 90% de eficiencia.
·&nb=
sp;
El nivel de confiabilidad del prototipo de medición de dióxido de
carbono se determina al variar la altura de ubicación de los nodos sensores=
ya
que existe un margen de error de 0,05 a una altura conveniente de 200cm, lo=
que
significa que a esa altura el prototipo tiene un 95% de confiabilidad, con =
una
variación en los datos del 3%.
· &nb=
sp;
Al evaluar el funcionamiento del prototipo de red WSN, se comprueba =
que
el prototipo tiene una estabilidad aproximada del 1% con una repetitividad =
en
los datos del 0.83%, por lo tanto, se considera que el prototipo desarrolla=
do
es estable y preciso.
=
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PARA
CITAR EL ARTÍCULO INDEXADO.
Ramos Valencia, M. V., Hidalgo Ponce, B., = Layedra Larreas, N., &= ; Gusqui Bejarano, Y. (2019). Análisis del nivel de contaminación de CO2 existente en el centro de la ciudad de Riobamba median= te un prototipo de red WSN. Ciencia Digital, 3(3.4.), 104-115. <= /span>https://doi.org/10.3= 3262/cienciadigital.v3i3.4.841
El
artículo que se publica es de exclusiva responsabilidad de los autores y no
necesariamente reflejan el pensamiento de la Revista Ciencia Digital.
El artículo queda en propiedad de la
revista y, por tanto, su publicación parcial y/o total en otro medio tiene =
que
ser autorizado por el director de la Revista
Ciencia Digital.
[1] Escuela Superior
Politécnica de Chimborazo, Facultad de Informática y Electrónica. Riobamba,
Ecuador. vi_ramos@espoch.edu.ec
[2=
]
Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Facultad de
Informática y Electrónica. Riobamba, Ecuador. blanca.hidalgo@espoch.edu.ec
[3= ] Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Facultad de Informática y Electrónica. Riobamba, Ecuador. natalia.layedra@espoch.edu.ec
[4] Escuela
Superior Politécnica de Chimborazo, Facultad de Informática y Electrónica.
Riobamba, Ecuador. yessenia.gusqui@espoch.edu.ec
[5]