Design and
implementation of an early warning device using a wireless and mobile
communications system to prevent traffic accidents
Oswaldo Geovanny Martínez G=
uashima.
[1],
Jorge Luis Paucar Samaniego. [2]
& Edwin Xavier Guaranga Bron=
cano. [3]
Recib=
ido:
30-06-2021 / Revisado: 08-07-2021 /Aceptado: 27-07-2021/ Publicado: 05-08-2=
021
<=
span
style=3D'font-size:12.0pt;line-height:115%;font-family:"Times New Roman",se=
rif'>Introduction. An electronic device based on a wireless and mobile
communication system has been developed to prevent traffic accidents. The s=
ignals
measured in the driver were the blood alcohol concentration through a breath
test and the heart rate. Methodology. Two physical blocks were
implemented: processing block and control and measurement block and an alert
and monitoring block consisting of two mobile applications compatible with
smartphones. The communication between the blocks was carried out using WLAN
technology, using the MQTT protocol of the application layer of the Open
Systems Interconnection Model (OSI). Results.
The information was processed with the free hardware platforms Node MCU and
Raspberry Pi, within the control and measurement block, on the other hand, =
the
alcohol sensor detects a concentration level greater than 0.3 gr / l. This
automobile cannot start then a notification is sent over the internet via t=
he
3G / UMTS network in this way knowing the location of the automobile and
percentage of alcohol, Within the processing block, the information from the
sensors is received through the Node-RED platform, where the connection to =
the
early warning service is made. Conclusion. It was concluded by
monitoring the pilot´s biometric signals help to obtain control when operat=
ing
machinery so requiring a user with high concentration and the use of wirele=
ss
technologies makes it easier to obtain this information. It is recommended =
in
the future to use the 5G network infrastructure, for better system performa=
nce.
Keywords:=
IoT, Accident Prevention, Al=
coholemia,
Local Frequency, Wireless Local Area Networks.
Introducción. Se ha desarrollado un dispositivo electrónico
basado en un sistema de comunicaciones inalámbricas y móvil para prever
accidentes de tránsito. Las seńales medidas en el conductor fueron la
concentración de alcohol en la sangre a través de una prueba de aliento y la
frecuencia cardíaca. Metodología. Se implementaron dos bloques físic=
os:
bloque de procesamiento y bloque de control y medición; y un bloque de aler=
ta y
monitoreo que consta de dos aplicaciones móviles compatibles con smartphone=
s.
La comunicación entre los bloques se realizó mediante tecnología WLAN,
utilizando el protocolo MQTT de la capa de aplicación del modelo de
interconexión de sistemas abiertos (OSI). Resultados. La información=
fue
procesada con las plataformas de hardware libre NodeMC=
U
y Raspberry Pi, dentro del bloque de control y medición, si el sensor de
alcohol detecta un nivel de concentración superior a 0.3gr/l. el automóvil =
no
puede encenderse y se envía una notificación a través de internet mediante =
la
red 3G/UMTS, con la información de la ubicación del automóvil y porcentaje =
de
alcohol; de igual manera, se mide la frecuencia cardíaca y la información
obtenida se muestra en la aplicación móvil de monitoreo. Dentro del bloque =
de
procesamiento, la información de los sensores es receptada mediante la
plataforma Node-RED, donde se realiza la conexi=
ón
hacia el servicio de alerta temprana. Conclusión. Se concluyó que el
monitoreo de seńales biométricas ayuda a obtener precaución al momento de
operar una máquina que requiere de una alta concentración del usuario y, el=
uso
de tecnologías inalámbricas facilita la obtención de esta información. Se
recomienda en un futuro utilizar la infraestructura de red 5G, para mayor
rendimiento del sistema.
Palabras clave: IoT, Prevención de
Accidentes, Alcoholemia, Frecuencia Cardíaca, Redes de Área Local Inalámbri=
ca.
Desde el momento en que las telecomunicaciones
empezaron a formar parte importante del progreso de la comunicación humana,
nuevas tecnologías de transmisión han ido surgiendo a lo largo del tiempo,
estableciendo un fuerte vínculo de desarrollo y evolución. En la actualidad=
, el
uso de computadores se ha hecho imprescindible, llegando al punto en que los
podemos encontrar en nuestros dispositivos de uso cotidiano como lo son los
teléfonos celulares, los cuales, debido al gran avance tecnológico obtenido=
, nos
permiten acceder a herramientas de acceso a varias aplicaciones. Una de ell=
as
es el internet, haciendo posible de una manera dinámica, la compartición de
información entre computadores, que nos permita el control remoto de sistem=
as
físicos (Delgado Reyes =
&
Valdez, 2012).
Actualmente, los accidentes de tránsito han ocur=
rido
con mucha más frecuencia, dando a notar que dentro de los sistemas
automovilísticos hace falta una forma de monitoreo en tiempo real, puesto q=
ue,
existen varios factores por los cuales pueden ocurrir estos hechos devastad=
ores
con consecuencias irreparables. Debido a varias circunstancias a las que la=
persona
responsable del vehículo se encuentre intervenido, puede llegar a cambiar la
forma en cómo se desenvuelva en el volante y, en el caso de hacerlo de una
manera indebida, provocar accidentes de tránsito con resultados devastadore=
s (Alonso et al.,=
2004).
De acuerdo con la Agencia Nacional de Tránsito
(ANT), en el Ecuador la cuarta causa probable de muerte es el conducir en
estado de alcoholemia, esto lleva a los agentes de tránsito a promover camp=
ańas
de concientización para generar en el usuario del vehículo una preocupación=
y
prevención ya que es un problema grave de salud pública que día a día se vi=
ene
presentando con consecuencias irreparables (Agencia Nacion=
al de
Tránsito del Ecuador, 2019).
Dentro de los factores de riesgo, se encuentran
también la fatiga que el conductor obtiene debido a largas horas de trabajo=
sin
descanso, haciendo más probable que suceda un accidente de tránsito ya que
implica la realización de maniobras riesgosas en el volante (Alonso et al.,=
2004). Cuando el conductor se ha sometido a largos
períodos de conducción durante su jornada de trabajo, está logrando que la
fatiga se intensifique de tal manera que puede llegar a afectar su estado
psicofísico (estrés, ansiedad, prisa) (Varcárcel, 200=
8).
La seguridad vial se ha convertido en una priori=
dad
social en la que están involucrados los derechos humanos y de salud pública,
convirtiéndose en un problema de gran magnitud con consecuencias económicas,
sociales y de salud. De esta problemática surge la necesidad de desarrollar
nuevas ideas con protocolos de seguridad basados en avances tecnológicos que
permitan un análisis de situaciones de peligro y brindar estrategias de
prevención. La innovación tecnológica se presenta con métodos de acuerdo co=
n varias
líneas de investigación: disponibilidad en tiempo real de información sobre
movilidad, conectividad entre agentes involucrados en el tráfico, sistemas =
de
seńalización interactiva, conducción autónoma, entre otros. Estas nuevas
tecnologías tienen como objetivo disminuir la posibilidad de que existan
siniestros y mejorar la movilidad de los ciudadanos, a través de una
planificación temprana adaptada a condiciones involucradas con el tráfico <=
/span>(Ministerio del
Interior - Dirección General de Tráfico (DGT), 2017).
De acuerdo con el reglamento ecuatoriano a la ley
orgánica de transporte terrestre, se menciona en el Art. 244 que, para efec=
to
del cumplimiento de la ley, el estado de embriaguez se define como la perdi=
da
transitoria de la facultad física y mental debido al consumo de bebidas
alcohólicas y sustancias estupefacientes que disminuyen la capacidad de
operación de cualquier tipo de vehículo. Por lo tanto, se consideran como
niveles máximos permitidos 0.8 gr/lt de alcohol=
por
litro de sangre o 0.4 mg/lt de alcohol en aire
expirado para quién conduzca un vehículo, caso contrario se considera al in=
dividuo
en estado de embriaguez y se procede a la detección de posibles intoxicacio=
nes
por alcohol o sustancias estupefacientes (Defensoría Púb=
lica
del Ecuador, 2009).
Según la información proporcionada por la Agencia
Nacional de Tránsito (ANT), el 40% de los accidentes se han producido por
conducir desatento a las condiciones de tránsito, el 11% por exceso de
velocidad, el 8% por no mantener la distancia prudencial, un 0.6% por
conducción bajo efectos de fatiga y un 8.4% por conducción bajo los efectos=
del
alcohol. Entre los principales afectados por siniestros de tránsito se
encuentran al conductor del vehículo con un 74%, un 13% de peatones, un 12%=
de
pasajeros y un 0.01% correspondiente a otros afectados (Agencia Nacion=
al de
Tránsito del Ecuador, 2019).
La imprudencia que lleva al chofer a conducir con
exceso de velocidad puede ser provocada por fatiga. Los niveles altos de fa=
tiga
y cansancio pueden provocar un aumento temporal de la presión arterial, lo =
que
lleva a que el conductor no se encuentre en condiciones de operar un automo=
tor (Mayo Clinic
Foundation, 2019).
El monitoreo del chofer del vehículo es de vital
importancia ya que permite conocer su estado, en tiempo real. Contar con es=
te
sistema permitirá tomar 3 medidas de ayuda para seguridad del encargado del
vehículo, como: estado psicofísico, sobriedad o embriaguez y posicionamient=
o en
tiempo real del vehículo.
El proyecto por realizar es el diseńo de un sist=
ema
de comunicaciones inalámbricas, el cual va a permitir el monitoreo al chofer
del vehículo. Dicho monitoreo permitirá tener una idea del estado psicofísi=
co
de la persona, nivel de alcohol en la sangre, al igual que la posición actu=
al
del vehículo para, en base a los datos obtenidos, ser evaluados y conocer si
puede o no el chofer ser apto para el manejo del automóvil.
Por ello este proyecto se apoya en el desarrollo=
de
un prototipo para el monitoreo del chofer de un automóvil en tiempo real,
mediante el uso de sensores conectados y controlados con la tarjeta de
desarrollo, logrando con esto establecer una alternativa de precaución y
seguridad para el usuario, ya que en la actualidad el índice de accidentes =
de
tránsito ha aumentado considerablemente.
Los sensores de alcohol, pulso cardíaco y GPS se
conectan inalámbricamente a la tarjeta de desarrollo la cual transmitirá los
datos recibidos en forma de alerta, mediante comunicación 3G, hacia algún
familiar o persona asociada al conductor del vehículo.
<=
span
lang=3DES-TRAD style=3D'font-size:12.0pt;line-height:115%;font-family:"Time=
s New Roman",serif;
mso-ansi-language:ES-TRAD'>General:
Diseńar e implementar un dispositivo de alerta
temprana utilizando un sistema de comunicaciones inalámbrica y móvil para
prever accidentes de tránsito.
<=
span
lang=3DES-TRAD style=3D'font-size:12.0pt;line-height:115%;font-family:"Time=
s New Roman",serif;
mso-ansi-language:ES-TRAD'>Específicos:
ˇ
Analizar mediante bibliografía =
los
sistemas de sensorizacion en automóviles para p=
rever
accidentes de tránsito.
ˇ
Diseńar un prototipo multimodal
utilizando redes inalámbricas y tarjetas de desarrollo.
ˇ
Implementar un prototipo que
permita conocer la ubicación, controlar el encendido del automóvil y monito=
rear
al conductor.
ˇ
Evaluar el prototipo mediante
pruebas de campo.
En el presente apartado se muestra la metodologí=
a en
la cual nos hemos basado para la construcción del proyecto, la arquitectura=
del
sistema que se quiere aplicar, además de los dispositivos utilizados con sus
respectivas funciones y el software utilizado para cumplir con los objetivos
del prototipo.
Se requiere de una Revisión Documental que permi=
ta
sustentar toda la investigación, haciendo uso de fuentes bibliográficas que
contengan información relacionada con el tópico que estamos presentando y p=
oder
lograr una comparativa final de resultados con otros estudios previamente
elaborados. Esta revisión se resume en tres etapas:
ˇ
Consulta documental. donde se
realiza una consulta general acerca del contexto.
ˇ
Contraste de la información.
permite validar la información, y acceder a nueva información en el caso de
que existan dudas durante la investigación.
ˇ&nb=
sp;
Análisis histórico. donde se
aprecia la evolución de conocimientos que han existido sobre el tópico.
La implementación está basada en el modelo orien=
tado
a prototipos, con una serie de pasos propuestos que guían a la construcción
rápida, total o de algunas partes del sistema. Permite reconocer si el
dispositivo propuesto cumple con los objetivos de solución al problema,
evitando así la incertidumbre en el proceso de desarrollo. La metodología
presenta las siguientes etapas:
ü
Investigación preliminar. don=
de
se identifica el problema de accidentes vehiculares por causas probables y =
se
propone una idea general de solución.
ü
Definición de los requerimientos
del sistema. - permite determinar los requerimientos para el cumplimiento y
entrega de una solución al problema.
ü
Diseńo técnico. - donde se
establece la arquitectura del sistema junto con sus respectivos escenarios =
de
prueba.
ü
Programación y prueba. nos
permite realizan las pruebas con que permitan la comprobación del
funcionamiento del sistema.
ü
Operación y mantenimiento. -
permite colocar al dispositivo en un entorno real con el fin de ponerlo en
operación e identificar posibles fallos para su corrección.
Para poder realizar las pruebas de campo se ha
tomado como población objetivo, a la ciudad de Riobamba, particularmente en=
el
sector de la Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, a un grupo selecto=
de
personas propietarias de un vehículo en el cual el dispositivo se pueda col=
ocar
para comprobación de su funcionamiento una vez completado su desarrollo.
Se ha tomado como referencia la metódica de
investigación del análisis cualitativo debido a que los datos recibidos son
heterogéneos pero importantes para poder llegar a la cifra concluyente que =
será
reconocida como principal resultado de la operación.
En este proceso se tomará en cuenta el análisis =
de
la información con artículos relacionados con los niveles de alcoholemia
tolerables para el manejo de un vehículo y las sanciones respectivas.
De igual manera se realizará una comparativa ráp=
ida
con los valores de signos vitales establecidos como normales en una persona
mediante las mediciones de frecuencia cardíaca. Los valores entregados por =
el
prototipo se pueden comparar con los valores que presentan los dispositivos=
que
se encuentran en el mercado para tal cometido.
La estructura del presente proyecto se divide en
tres bloques: bloque de medición y control, bloque de procesamiento y
comunicación, bloque de alerta y monitoreo, detallados en la Figura 1.
Figura 1. Arquitectura del sistema
Fuente:
Elaboración propia.
Se muestran los dispositivos encargados de obten=
er
la información necesaria para que el dispositivo sea capaz de cumplir con el
objetivo propuesto. Por lo tanto, en esta etapa se encuentran los sensores
cuyos datos a obtener, en función del conductor del automóvil, son el nivel=
de
alcohol en la sangre y los latidos por minuto. También se mide la posición =
aproximada del vehículo que se encuentra en
operación, además de los dispositivos alternativos que permitirán el contro=
l de
encendido del automóvil.
El procesamiento de la información obtenida por =
los
sensores utilizados se lo realizará mediante el uso de tarjetas de desarrol=
lo,
cuyas características de hardware nos permitirán su tratamiento a través de=
la
programación, con la cual será posible su evaluación, corrección, y
acondicionamiento, para posteriormente su ejecución y obtención en su etapa
final. Además, la tecnología de comunicación que estas tarjetas de desarrol=
lo
nos brindan, permitirá la transferencia de datos desde el módulo inicial ha=
sta
el módulo final.
El monitoreo de la información procesada se
visualiza en una aplicación móvil y la alerta se envía hacia el dispositivo=
de
algún familiar o persona cercana al conductor, la misma que llegará en form=
a de
notificación push con la información en caso de=
que el
mismo se encuentre en condiciones no aptas para el correcto manejo del
vehículo.
Es un ordenador de placa reducida de bajo costo,
diseńada con el objetivo de estimular la enseńanza y conocimiento de las
ciencias de la computación, además de orientar a los usuarios de todo el mu=
ndo
a resolver problemas importantes que requieren de procesos informáticos. Su
funcionamiento se basa principalmente en el uso de software libre, siendo a=
sí
su sistema operativo oficial una versión adaptada de Debian, denominada
Raspbian (Raspberry Pi
Foundation, 2019).
Desde su lanzamiento en el ańo 2012, con la prim=
era
versión Raspberry Pi 1, ha venido evolucionando hasta el día de hoy present=
ando
su último modelo lanzado en 2019, la Raspberry Pi 4, cuyos esquemas se sigu=
en
basando en los modelos A y B.
Se ha seleccionado el sistema operativo Raspbian=
OS,
debido a que es una distribución libre que permite la optimización de
aplicaciones basadas en IoT con soporte oficial por parte de sus
desarrolladores, además de ser compatible en su totalidad con las
especificaciones de la placa Raspberry Pi modelo 3B. Tomando en cuenta la
aplicación final del dispositivo propuesto, el bajo costo y facilidad de
adquisición, se ha elegido la plataforma de desarrollo a la tarjeta Raspber=
ry
Pi modelo 3B y el sistema operativo Raspbian.
Figura 2. Arquitectura del sistema
Fuente: (HANWEI ELETRONICS CO., 2015).
Este sensor detecta la concentración de alcohol =
en
el aire. Al conectarse a una entrada analógica de un microcontrolador como =
el
ESP8266, podremos medir la concentración de alcohol. Además, posee una sali=
da
digital capaz de ser calibrada con un potenciómetro, y un led indicador que=
se
enciende al momento de detectar la presencia de alcohol.
Cuenta con la tapa, el cuerpo y 6 pines de los
cuales se utilizan sólo 4 de ellos. Dos de ellos son para el sistema de
calefacción, como se muestra en la Figura 2, marcados con la letra H y los
otros 2 son para la conexión de alimentación y de tierra, marcados con las =
letras
A y B.
En el interior del sensor, encontraremos un pequ=
eńo
tubo, correspondiente al sistema de calefacción compuesto por óxido de alum=
inio
y dióxido de estańo, y dentro de éste hay unas bobinas, encargadas de produ=
cir
el calor.
Tomando en cuenta la sensibilidad del sensor MQ-3
para los gases como el alcohol y etanol, además de su bajo costo, se lo ha
escogido para la implementación del dispositivo propuesto.
Es un sensor de pulso y oxígeno en la sangre muy=
versátil
y de bajo consumo, cuenta con un emisor LED y un fotodiodo, ambos montados =
en
un único elemento sensor, como se indica en la Figura 3. El pulso se detecta
midiendo las variaciones en la intensidad de luz medida, mientras que la
oxigenación se calcula midiendo la variación de color de la sangre. Para es=
tas
operaciones, cuenta con circuitería de precisión y bajo ruido para el proce=
sado
de la seńal.
Figura 3. Sensor de pulso y oxímetro MAX30100
Fuente: (Elec=
tron
Perdido, 2019).
Se ha seleccionado el sensor oxímetro de pulso
MAX30100, tomando en cuenta sus características de bajo costo y la fiabilid=
ad
al momento de realizar las mediciones de pulso cardíaco.
Figura 4. Módulo GPS Neo U-Blox 7M
Fuente: Elaboración propia.
El uso de estos dispositivos radica principalmen=
te
en proyectos que requieren de posicionamiento GPS, en lugares abiertos dond=
e se
pueda receptar la seńal de manera fiable. La ventaja del uso de este módulo=
es
su compatibilidad con una alta gama de microcontroladores existentes en el
mercado.
Como se indica en la Figura 4., se ha escogido e=
ste
dispositivo por las prestaciones que ofrece y su bajo costo.
El estándar 802.11 hace referencia a la comunica=
ción
inalámbrica mediante conexión Wi-Fi, la cual pe=
rmite
la transferencia de datos en un rango de distancia fiable desde un disposit=
ivo
a otro que se encuentre suscrito a la misma red. Existen en el mercado una =
gran
variedad de dispositivos que logran esta conexión debido a que comparten un
mismo canal de comunicación síncrona y operan a la misma frecuencia de
operación. Se sirve del modelo de referencia OSI (Sistema de interconexión
abierto, Open System Inter=
connection),
el cual divide la capa de enlace de datos de las redes LAN en dos subcapas:
Control de Enlace Lógico (LLC) y MAC. Las capas LLC de los estándares 802.1=
1 y
802 son las mismas con el objetivo de que el funcionamiento sea transparente
respecto a las capas superiores. La subcapa LLC es la encargada de las
operaciones de la subcapa MAC y la capa física (IEEE, 2007).
MQTT (Transporte de telemetría de cola de mensaj=
es, Message Queue Telemetry
Transport), es un protocolo máquina a máquina (=
M2M)
de la capa de aplicación del modelo OSI. Inventado por el Dr. Andy Stanford=
de IBM
y Arlen Nipper de Arcom
(ahora Eurotech) en el ańo 1999, se basa en un
protocolo de mensajería de tipo publicación/suscripción. Una de las ventajas de este protocolo, es que es
extremadamente simple y ligero. Por este motivo es orientado a sistemas que
requieren poco ancho de banda, tienen una alta latencia y requieren de poco
consumo de los dispositivos. Los objetivos del protocolo MQTT son: minimizar =
el
ancho de banda, la comunicación bidireccional entre dispositivos, minimizar=
los
requerimientos de los dispositivos, tanto de recursos como consumo, y
garantizar la fiabilidad sin dejar de lado la seguridad de la información, =
ya
que soporta el cifrado mediante la capa de puertos seguros (SSL); sin embar=
go,
en el instante que se utiliza el cifrado, se ańade sobrecarga a la red y a =
los
microcontroladores. El protocolo presenta tres componentes que opera=
n en
torno a un tema, (topic) determinado: suscripto=
r,
publicador y bróker. El dispositivo que se registra como bróker se encarga =
de
informar al dispositivo que se registra como suscriptor la información que,=
el
dispositivo registrado como publicador, haya obtenido de acuerdo con un tem=
a en
particular. Es así como, el publicador transmite a todos los suscriptores
mediante el bróker. El bróker entonces se encarga de comprobar que los
suscriptores y publicadores estén autorizados para la transferencia de
información. De acuerdo con este principio, el protocolo MQTT=
se
ha convertido en el ideal para aplicaciones de IoT, ciudades inteligentes y
todo tipo de escenarios que requieran de comunicaciones máquina a máquina, =
ya
que representa una solución fiable en casos prácticos que requieran de bajo
consumo de recursos, entornos abiertos y alertas tempranas. En la Figura 5,=
se
muestra el funcionamiento básico del entorno MQTT. Figura 5. Entorno de red que utiliza el protocolo MQTT Fuente: (Crespo, 2019)<=
/span> ESP8266 es un chip integrado con una antena que
permite la conexión Wi-Fi y que además es compa=
tible
con el protocolo TCP/IP de la capa de transporte del modelo OSI. Fue diseńa=
do
con el objetivo de brindar a un microcontrolador el acceso a una red. Las
ventajas principales encontradas en este dispositivo son: su bajo consumo de
recursos, además de su bajo costo, y su programación es totalmente compatib=
le
con el entorno de Arduino IDE, convirtiéndose en una herramienta ideal para
aplicaciones IoT. Se ha tomado en cuenta la placa NodeMCU
en su versión 2.0, gracias a su bajo costo, bajo consumo de recursos y mejo=
res
especificaciones. La tecnología 3G supone un cambio importante en =
la
telefonía celular. Gracias a la técnica de acceso múltiple por división de
código de banda ancha (WCDMA), tiene una mejor eficiencia espectral para
ofrecer a los usuarios la posibilidad de tener acceso a internet a través d=
el
protocolo IP. La transferencia de datos basada en la conmutación de paquete=
s se
establece en un área de cobertura extensa de acuerdo con la arquitectura de
esta red. En comparación con la tecnología GSM/GPRS, se han
ańadido los elementos UTRAN Y GERAN (Heikki Kaarane=
n, Ari
Ahtiainen, Lauri Laitinen, Siamäk Naghian, 2005). La conexión a internet mediante la tecnología 3G
requiere de la implementación de los siguientes elementos: ü
Transporte IP en todo el sistem=
a;
desde la BS hasta la puerta de enlace de la frontera de la red. ü
Introducir un subsistema multim=
edia
IP (IMS) para comenzar a utilizar ampliamente varios servicios multimedia.<=
o:p> ü
Unificar la interfaz abierta en=
tre
y redes centrales. ü
Obtener mayor capacidad en la
interfaz aérea UTRAN con respecto al enlace descendente. Estos cambios implementados con respecto a las
tecnologías anteriores permiten que una estación móvil suscrita a la red 3G,
pueda tener acceso a internet. Es un dispositivo que cumple la función de brind=
ar
conectividad a una red a todos los dispositivos que se encuentren
interconectados al mismo. La ventaja principal de un r=
outer
que funciona a través de la tecnología 3G, es el aprovechamiento de la ampl=
ia
cobertura que esta ofrece. Su funcionamiento consiste en insertar la tarjeta
SIM dentro del router para que este pueda conec=
tarse
a la red de la operadora de telefonía celular, la cual brindará el acceso a
internet de acuerdo con las características de conectividad ofrecidas en su
plan de servicios. Existe una gran variedad de aplicaciones diseńad=
as
para smartphones, con características que nos permiten visualizar la
información tomada por los sensores que se encuentran conectados a la red.<=
o:p> Para el monitoreo, se ha elegido la aplicación <=
span
class=3DSpellE>Blynk debido a que se encuentra disponible tanto para
sistemas iOS como Android, además tiene una mayor compatibilidad con los
dispositivos de gama media y baja, que la mayoría de los usuarios poseen.K. &n=
bsp;
Tarjetas inalámbricas ESP8266
L. &n=
bsp;
Redes de acceso 3G
M. &n=
bsp;
Router inalámbrico 3G
N. &n=
bsp;
Monitoreo y alerta temprana
Los resultados de la medición de alcoholemia del=
conductor
se deben mostrar en tiempo real en forma de alerta hacia el familiar o pers=
ona
cercana al conductor. Por lo tanto, es necesario incluir en el diseńo, una
aplicación que obtenga la información medida, encapsulada en una notificaci=
ón
en el teléfono móvil del usuario final.
Se ha elegido la aplicación Pushover
debido a su compatibilidad con sistemas iOS y Android, además de estar
disponible para dispositivos de gama media y baja, y su bajo costo de licen=
cia
con un pago único que permita acceder a todos sus servicios.
Se realiza la instalación del sistema operativo
Raspbian OS, que se encuentra disponible para su descarga gratuita en forma=
to
de imagen ISO, en la página web oficial:
https://www.raspberrypi.org/downloads/.
Node-RED, es una herramienta de desarrollo utilizada=
para
la integración de dispositivos de hardware IoT, basada en flujo de código
abierto, interfaces de programación de aplicaciones (API) y servicios en lí=
nea,
desarrollados por IBM Emerging Technology.
Es una herramienta gratuita basada en JavaScript, que proporciona un editor=
de
flujo visual basado en navegador. El sistema contiene nodos representados p=
or
los iconos apropiados. Funciona de dos modos: arrastrar, soltar y conectar
nodos; o mediante la importación de un código JavaScript. [11]
Como se indica en el apartado anterior, para log=
rar
establecer una conexión MQTT, es necesario iniciar un Topic,
al cual se suscribirán cada uno de los bloques de acuerdo con la función
especificada:
ü
auto/pulso; Bloque de medición y
control (pulso cardíaco)
ü&nb=
sp; auto/alcohol;
Bloque de medición y control (alcoholímetro y GPS)
Cada Topic es config=
urado
en un nodo llamado mqtt in que se encuentra e=
n la
paleta de nodos, el cual recibe los mensajes mqtt
transmitidos desde las tarjetas NodeMCU, con la
información de los sensores.
A continuación, se procede con la configuración =
del
nodo Pushover, el cual enviará la información
recibida del módulo de control y medición de alcoholemia hacia el teléfono
móvil del usuario final en forma de notificación.
Una vez arrastrado el nodo de Pushover
hacia el flujo, se procede a configurarlo de manera similar a los nodos MQT=
T;
haciendo doble clic sobre éste, se abrirá un panel de configuración el cual=
nos
permitirá establecer el título de la notificación, el nombre del dispositiv=
o el
cual estará suscrito al servicio y las claves de usuario y api.
Para finalizar con la estructura del flujo, desd=
e la
paleta de nodos se puede incorporar el nodo debug,
el cual permitirá la visualización en tiempo real de los datos que se
encuentran llegando al nodo con el que está conectado. El escenario final se
muestra a continuación en la Figura 6.
Figura 6. Flujo del funcionamiento del prototipo en Node-RED=
Fuente:
En el nodo de control y medición de alcoholemia,=
el
dispositivo sensor de alcohol se energiza con 5V, entregados por el pin
Figura 7. Nodo de control, y medición de alcoholemia
Fuente:
En la Figura 7, se muestra con detalle el esquem=
a de
implementación del nodo de control y medición de alcoholemia.
El nodo de medición de pulso cardíaco se encarga=
de
medir los latidos por minuto (LPM) del conductor cuando se posiciona su dedo
índice o pulgar sobre el emisor led del sensor. Este parámetro se mostrará
mediante un sonido de alerta si el pulso del chofer sale de los valores
normales, entre 60 a 100 LPM, lo que significa que la persona se encuentra =
en
un estado de estrés o cansancio.
La programación para el funcionamiento del nodo =
se
la realiza a través del entorno IDE de Arduino, en la cual se integra la
librería MAX30100 y la librería BlynkSimple par=
a el
correcto funcionamiento del sensor. La visualización de los datos recibidos=
se
puede apreciar en la pantalla OLED al igual que en la aplicación Blynk desde nuestro dispositivo móvil.
En la Figura 8, se muestra con detalle el esquem=
a de
implementación del nodo de control y medición de pulso cardíaco.
Figura 8. Nodo de medición de pulso cardíaco
Fuente:
Para el sistema de alerta temprana, es necesario= el registro del teléfono móvil; se accede al panel de control de Pushover mediante el navegador web de un ordenador pa= ra poder obtener las claves de usuario y aplicación (API = key), necesarias para la conexión con el bloque de procesamiento con Node-RED. A través de la dirección web https://www.pushover.net/, se muestra la página principal con la información referente a la aplicación de notificación creada, los dispositivos registra= dos, grupos de envío, correos electrónicos de referencia y la clave de usuario.<= o:p>
Para el sistema de monitoreo se optó por Blynk; es una aplicación que nos permite monitorear
dispositivos basados en IoT. Al igual que la aplicación Pushover,
posteriormente a su descarga, es necesario crear una cuenta de usuario con =
un
correo electrónico y una contraseńa. Las herramientas de visualización de d=
atos
en la aplicación Blynk funcionan a través de en=
tradas
de datos analógicas, digitales y virtuales.
Se ha ańadido un valor de lectura para recibir l=
os
datos de saturación de oxígeno en la sangre, valor adicional que se puede
obtener gracias a una de las funciones del módulo sensor de pulso cardíaco
MAX30100. La tasa de lectura de datos se ha establecido en el valor Push, debido a que el monitoreo se lo hace en tiempo =
real
al mismo instante que se realiza la lectura en el sensor. Se ha establecido=
el
valor límite de LPM a 120 y en 100 al nivel máximo de saturación de oxígeno=
en
la sangre.
Luego de haber realizado el diseńo del sistema y
configurar los dispositivos como los sensores, programación de tarjetas de
desarrollo, se procede a la implementación del prototipo de acuerdo con lo
expuesto en el apartado de diseńo del sistema. El diseńo implementado se mu=
estra
en la Figura 9.
Figura 9. Implementación del prototipo
Fuente:
Se
ha tomado en cuenta dos tipos de bebidas alcohólicas, cerveza y ron (licor)=
, ejemplares
de bebidas que suelen ser consumidas en general.
Para
poder iniciar con las mediciones se ha esperado un lapso de 15 a 20 minutos=
a
partir de que la persona empezó a ingerir alcohol, debido a que durante este
tiempo el alcohol se va a concentrar en el organismo del individuo y el ali=
ento
provendrá desde su interior, lo que permitirá medidas más precisas.
Tipo =
de
Bebida Tiemp=
o Proto=
tipo
mg/L Condu=
cción < 15 min 0,10 OK =3D 15 min 0,35 STOP > 15 min 0,51 STOP < 15 min 0,30 OK =3D 15 min 0,57 STOP > 15 min 0,75 STOP Tabla 1. Datos obtenidos=
-
alcoholemia Fuente:
Elaboración propia.
Se ha comparado las
medidas de frecuencia cardíaca obtenidas por nuestro dispositivo, con las
medidas tomadas de una pulsera inteligente marca Xiaomi Mi Band 4, disposit=
ivo
encontrado muy comúnmente en el mercado, de tal manera que se pueda analiza=
r la
fiabilidad y precisión de nuestro sistema.
Las muestras se las ha
realizado a una persona de 25 ańos cuya actividad diaria supone un esfuerzo
físico en el que se pueden denotar variaciones en su frecuencia cardíaca. U=
na
vez encendido el dispositivo se ha realizado la comparación entre dispositi=
vos
con un total de 45 muestras tomadas que se han distribuido a lo largo del d=
ía,
en la mańana, tarde y noche, con un intervalo de medición de 4 minutos por =
cada
muestra.
|
Hora |
N°=
de Muestra |
Prototipo (LPM) |
Mi Band 4 (LPM) |
Error Absoluto |
|
8H00 - 9H00 AM |
1 |
65 |
68 |
3 |
|
2 |
67 |
69 |
2 |
|
|
3 |
70 |
69 |
1 |
|
|
4 |
68 |
70 |
2 |
|
|
5 |
70 |
71 |
1 |
|
|
6 |
69 |
71 |
2 |
|
|
13H00 - 14H00 PM |
16 |
84 |
83 |
1 |
|
17 |
85 |
88 |
3 |
|
|
18 |
83 |
80 |
3 |
|
|
19 |
80 |
79 |
1 |
|
|
20 |
80 |
77 |
3 |
|
|
21 |
71 |
70 |
1 |
Tabla 2. Datos obtenidos frecuencia cardíaca
|
Hora |
N°=
de Muestra |
Prototipo (LPM) |
Mi Band 4 (LPM) |
Error Absoluto=
|
|
19H00 - 20H00 PM |
40 |
71 |
71 |
0 |
|
41 |
75 |
77 |
2 |
|
|
42 |
74 |
72 |
2 |
|
|
43 |
70 |
71 |
1 |
|
|
44 |
74 |
74 |
0 |
|
|
45 |
71 |
70 |
1 |
|
|
Desviación
estándar |
6,13 |
5,58 |
1,61 |
|
|
Promedio<= o:p> |
73,72 |
73,89 |
||
|
Error
Absoluto Promedio |
Tabla 2. =
Datos
obtenidos frecuencia cardíaca (continuación)
=
Fuente:
Elaboración propia.
Como se puede apreciar=
en
la Tabla 2, los datos obtenidos por nuestro sistema muestran una variación
aproximada de 0 a 2 puntos de diferencia con respecto a la pulsera intelige=
nte,
obteniendo un error absoluto promedio de 1.61 y una desviación estándar que
demuestra que los datos no se encuentran muy alejados a la medida. Este
análisis nos demuestra que nuestro diseńo es un equipo confiable al momento=
de
presentar información certera.
Se muestran los result=
ados
del monitoreo de acuerdo con los datos enviados por nuestro sistema. Estos
datos son enviados a través de internet mediante el uso de la infraestructu=
ra
de red UMTS/3G. Se registran los datos de medición de alcohol y ubicación d=
el
vehículo, debido a que son los parámetros de mayor importancia e influencia
cuando se producen accidentes de tránsito.
Cuando el automotor no
puede encenderse debido a que se ha fallado la prueba de aliento, para cono=
cer
la concentración de alcohol en la sangre del conductor se envía su ubicació=
n y
el porcentaje de concentración de alcohol que ha sido tomado en el instante=
de
prueba. Los datos que llegan desde el bloque de control y medición son envi=
ados
a través de la plataforma Node-RED que se encue=
ntra
instalada en el módulo de procesamiento, como se indica en la Figura 10.
Figura 10. Datos recibidos en la plataforma N=
ode-RED
Fuente:
Los datos son enviados
hacia el dispositivo final donde son mostrados al usuario mediante la
aplicación Pushover, a manera de alerta tempran=
a,
como se muestra en la Figura 11.
Figura 11. Notificación en aplicación móvil P=
ushover
Fuente: Elaboración propia.
La aplicación permite =
al
usuario conocer la ubicación del automóvil mediante las coordenadas dadas en
latitud y longitud. Estos valores se pueden colocar en cualquier aplicación=
de
posicionamiento geográfico que tenga el dispositivo smartphone del usuario =
ya
sea iOS, Android u otro sistema operativo móvil. En nuestro caso hemos
utilizado la aplicación Google Maps para poder
apreciar la ubicación del vehículo, como se muestra en la Figura 12.
Figura 12. Ubicación del vehículo mostrada en Google Maps.=
Fuente:
<= ![if !supportLists]>ˇ Se implementó un dispositivo prototipo de alerta temprana utilizando un sistema de comunicaciones inalámbrico y móvil, que permitió el monitoreo del conductor basándose en s= us seńales biométricas fomentando en el conductor una conducción responsable.<= o:p>
<=
![if !supportLists]>ˇ
Se determinó que la prueba de
alcoholemia realizada en el dispositivo tiene una fiabilidad del 100%, para=
lo
cual fue necesario la calibración del sensor MQ-3 de modo que sus valores de
lectura coincidan con los valores expuestos por la legislación vigente apro=
bada
por la ANT.
<=
![if !supportLists]>ˇ
El monitoreo de frecuencia card=
íaca
del conductor permitió conocer su rendimiento cardiovascular a lo largo del=
día
de modo que, con las pruebas realizadas se obtuvo un margen de error promed=
io
de 1.61, demostrando así su fiabilidad.
<=
![if !supportLists]>ˇ
Mediante la implementación de un
servidor MQTT en la tarjeta de desarrollo Raspberry Pi, se estableció la
comunicación con las tarjetas inalámbricas NodeMCU,
con la programación de los topic publicador, cu=
ya
conexión se establece al enviarse un mensaje, y topic<=
/span>
suscriptor que debe mantenerse siempre enlazado para la recepción de
información.
<=
![if !supportLists]>ˇ
La plataforma Node-RED
instalada en la tarjeta de desarrollo Raspberry Pi, permite la conectividad=
con
aplicaciones de mensajería instantánea, de modo que las notificaciones pued=
en
ser receptadas en un dispositivo móvil compatible desde cualquier lugar que
tenga conectividad a internet.
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PARA
CITAR EL ARTÍCULO INDEXADO.
Martínez Guashima, O. G., Paucar Samaniego, J. L., & Guaranga Broncano, E. =
X.
(2021). Diseńo e implementación de un dispositivo de alerta temprana utiliz=
ando
un sistema de comunicaciones inalámbrica y móvil para prever accidentes de =
tránsito . ConcienciaDigital,
4(3.1), 333-354. https://doi=
.org/10.33262/concienciadigital.v4i3.1.1836
El artículo que se publica es de
exclusiva responsabilidad de los autores y no necesariamente reflejan el
pensamiento de la Revista Concienc=
ia
Digital.
El artículo qu=
eda
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 Conciencia Digital.
[1] Escuela Sup=
erior
Politécnica de Chimborazo, Facultad de Informática y Electrónica. Riobamba,
Ecuador. omartinez@espoch.edu.ec. https://orcid.org/0000-0001-9018-7777
[2] Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Facu=
ltad
de Informatica y Electronica. Riobamba, Ecuador. jlpaucar@espoch.edu.ec. ht=
tps://orcid.org/0000-0002-1704-8583
[3] Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Facult=
ad
de Informática y Electrónica. Riobamba. Ecuador. edwin.guaranga@espoch.edu.=
ec. https://orcid.org/0000-0002-6975-1254
www.concienciadigital.org
=
Vol. 4, N°3.1, p. 333-354, agosto, 20