Red inalámbrica de sensores para la medición de ...
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1 Red inalámbrica de sensores para la medición de temperatura, humedad y material particulado en la compañía Olaflex S.A.S
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Red inalámbrica de sensores para la medición de temperatura, humedad y material
particulado en la compañía Olaflex S.A.S
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Red inalámbrica de sensores para la medición de temperatura, humedad y material
particulado en la compañía Olaflex S.A.S
Miller Andrés Campos
Catherine Bonilla Toro
Michael Vanegas
Proyecto de trabajo de grado presentado como requisito para optar al título de:
Ingeniería de Telecomunicaciones y Sistemas.
Director (a):
Ing. Javier Alejandro Sáenz Leguizamón M.Eng
Línea de Redes Telemáticas y Telecomunicaciones
Grupo de Investigación en Ingeniería de Sistemas GIIS
Fundación Universitaria Panamericana
Facultad de Ingeniería
Ingeniería de Telecomunicaciones
Bogotá, Colombia
Noviembre de 2016
3
Agradecimientos
Agradecemos el apoyo y la facilitación de la información proporcionada por el ingeniero
Javier Alejandro Sáenz Leguizamón, Director del Grupo de Investigación en Ingenierías de
la Fundación Universitaria Panamericana, quien identificó en nosotros las fortalezas
necesarias, para así poner su confianza en las capacidades individuales y grupales
demostrada por el grupo, y de esta forma brindarnos la oportunidad de participar en el
desarrollo de este proyecto de investigación.
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Declaración
Los autores certifican que el presente trabajo es de su autoría, para su elaboración se han
respetado las normas de citación tipo APA, de fuentes textuales y de parafraseo de la
misma forma que las cita de citas y se declara que ninguna copia textual supera las 400
palabras. Por tanto, no se ha incurrido en ninguna forma de plagio, ni por similitud ni por
identidad. Los autores son responsables del contenido y de los juicios y opiniones emitidas.
Se autoriza a los interesados a consultar y reproducir parcialmente el contenido del trabajo
de investigación titulado Red de sensores inalámbricos para la medición de temperatura,
humedad y material particulado en la compañía Olaflex S.A.S., siempre que se haga la
respectiva cita bibliográfica que dé crédito al trabajo, sus autores y otros.
Investigadores (estudiantes y profesores): Nombre y Firma Digital
Miller Andrés Campos
Catherine Bonilla Toro
Michael Vanegas
Javier Alejandro Sáenz Leguizamón
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Título
RED INALÁMBRICA DE SENSORES PARA LA MEDICIÓN DE TEMPERATURA,
HUMEDAD Y MATERIAL PARTICULADO EN LA COMPAÑÍA OLAFLEX S.A.S.
.
Resumen
El presente trabajo muestra la implementación de una red de sensores en la compañía
Olaflex S.A.S., está se realizó con el fin de conocer los valores de exposición de los
empleados en el área administrativa y planta de producción a los diferentes agentes en el
ambiente como la temperatura, humedad y material particulado, la información recolectada
se visualizará a través de una página web.
Olaflex S.A.S. es una compañía especializada en diseñar, fabricar y comercializar
productos en poliuretano, aplicados hoy en día en la industria del mueble, la construcción y
la decoración, obras de infraestructura, transporte y maquinaria fija y rodante.
Palabras Claves
Red, Sensor, Temperatura, Humedad, Material Particulado, Arduino.
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Abstract
The present work shows the implementation of a sensor network in the company Olaflex
S.A.S., It was carried out in order to know the exposure values of employees in the
administrative area and production plant to the different agents in the environment such as
temperature, Humidity and particulate matter, the information collected will be displayed
through a web page.
Olaflex S.A.S. is a company specialized in designing, manufacturing and marketing
polyurethane products, applied today in the furniture industry, construction and decoration,
infrastructure works, transport and fixed and rolling machinery.
Keywords
Red, Sensor, Temperature, humidity, particulates, Arduino.
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Tabla de contenido
1. Planteamiento de la pregunta o problema de investigación .......................................... 10
2. Introducción .................................................................................................................. 12
3. Justificación ................................................................................................................... 13
4. Objetivo general ............................................................................................................ 15
5. Objetivos específicos..................................................................................................... 15
8. Marco conceptual .......................................................................................................... 16
9. Marco legal .................................................................................................................... 32
10. Metodología y materiales .......................................................................................... 36
11. Desarrollo del Proyecto ............................................................................................. 38
12. Resultados .................................................................................................................. 53
13. Conclusiones .............................................................................................................. 58
14. Recomendaciones ...................................................................................................... 59
15. Referencias bibliográficas ......................................................................................... 60
8
Tablas de Figuras
Figura 1 Topologia de Redes. ............................................................................................. 19
Figura 2 Router o Enrutador. ............................................................................................... 23
Figura 3 Access Point. ......................................................................................................... 23
Figura 4 Sensor de Temperatura y Humedad. ..................................................................... 25
Figura 5 Espesificaciones técnicas sensor particulado ........................................................ 26
Figura 6 Diagrama de conexión sensor DHT22 .................................................................. 26
Figura 7 Diagrama sensor particulado ................................................................................. 27
Figura 8 Control del ired sensor particulado ....................................................................... 27
Figura 9 Alimentacion de voltaje sensor particulado .......................................................... 28
Figura 10 Propotipo de WSN .............................................................................................. 29
Figura 11 Voltaje de saliday densidad de polvo .................................................................. 29
Figura 12 Compañía Olaflex S.A.S ..................................................................................... 37
Figura 13 Área Planta de corte Poliuretano. Compañía Olaflex S.A.S .............................. 37
Figura 14 Area Administrativa. Compañía Olaflez S.A.S .................................................. 37
Figura 15 Esquema Red inalámbrica de sensores ............................................................... 38
Figura 16 Plano de ubicación de sensores ........................................................................... 39
Figura 17 Diagrama de flujo ................................................................................................ 40
Figura 18 Diagrama Esquematico ....................................................................................... 41
Figura 19 Circuito impreso .................................................................................................. 41
Figura 20 Placas Arduino .................................................................................................... 42
Figura 21 Código de Programacion Arduino ...................................................................... 44
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Figura 22 Regulador LM1117 ............................................................................................. 48
Figura 23 Plataforma Murano ............................................................................................. 50
Figura 24 Interfaz Exosite Portals ...................................................................................... 50
Figura 25 Configuración de seguridad ................................................................................ 51
Figura 26 Sensor área de planta ........................................................................................... 53
Figura 27 Sensor área administrativa .................................................................................. 53
Figura 28 Densidad de Polvo ............................................................................................... 55
Figura 29 Resultado de temperatura .................................................................................... 56
Figura 30 Valores de humedad de la planta ........................................................................ 57
Listado de tablas
Tabla 1. Valores limites permisibles (TLV)……………………………………………55
Tabla 2. Valores recomendados para el índice TGBH en °C……………………………56
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1. Planteamiento de la pregunta o problema de investigación
En la actualidad el avance industrial ha permitido la implementación de procesos que
conllevan al ser humano a la exposición a diferentes factores químicos y ambientales, en
los cuales afecta de manera directa e indirecta las condiciones de lugar donde labora
trayendo consigo complicaciones para la salud.
En el momento la compañía Olaflex S.A.S dedicada a la manufactura de productos a base
de Poliuretano desea conocer las condiciones climáticas y el nivel de concentración de
material particulado en la bodega 7, debido a que, en la zona de corte de los Bones
(Rectángulos de Poliuretano rígido para uso en aislamiento térmico) se genera
desprendimiento de partículas que pueden afectar significativamente la visión y las vías
respiratorias del operador de las cortadoras CNC, además se considera verificar las
condiciones de la zona de molido del material desechado, el cual también puede llegar a
generar riesgo cuando los filtros y las mangueras de succión se obstruyen puesto que esta
máquina puede llegar a esparcir el material por la zona operativa y también la zona
administrativa que corresponde al departamento de ventas, diseño y show room.
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Pregunta problema
¿Cuales serán las características de diseño para implementar una red inalámbrica de
sensores que permita realizar la medición de la temperatura, humedad y material
particulado y generé alertas de los niveles de exposición que se encuentren por encima de
los limites permisibles por seguridad y salud en el trabajo en la compañía Olaflex S.A.S.?
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2. Introducción
Las tecnologías enfocadas en dispositivos electrónicos como Arduino y RaspberryPi son
capaces de monitorizar entornos, mediante sensores en una determinada área;
interconectados de forma inalámbrica con otros componentes que conllevan a la
contribución de importantes soluciones y a la unificación de la información. Dicho tipo de
tecnología es denominada redes de sensores inalámbricas en sistemas embebidos (WSN,
Wireless Sensor Networks), es una red de ordenadores de pequeñísimos (nodos), equipados
con sensores para ejercer una tarea en común.
La aplicación de las WSN se incorpora en la automatización de instalaciones industriales,
comerciales, agrícolas, residenciales, transporte, médicas entre otras. Han adquirido una
gran importancia en la actualidad ya que la comunicación entre este tipo de tecnologías
tiene como parte fundamental Ethernet, Wifi, ZigBee, Z-Wave, y Bluetooth.
Considerando lo anterior, el presente proyecto se adhiere dentro de los avances
tecnológicos que permiten el monitoreo de la información a través de los sistemas
embebidos. El punto central es la implementación y diseño de una red de sensores
inalámbricos (wifi) y la utilización de Sistemas Embebidos(Arduino) aplicados a la
solución que permita actualmente capturar, procesar y transferir los datos de monitorización
de las variables de temperatura ambiente, humedad y material particulado en la compañía
Olaflex S.A.S.
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3. Justificación
El sistema de gestión de seguridad y salud en el trabajo (SG-SST) según en el decreto 1072
de 2015, plantea que, "las condiciones y medio ambiente de trabajo son aquellos elementos,
agentes o factores que tienen influencia significativa en la generación de riesgos para la
seguridad y salud de los trabajadores", en la medida de disminuir los factores de riesgo
físicos, químicos y biológicos en las industrias, están en el deber de implementar y
desarrollar actividades de prevención de accidentes y enfermedades laborales, para la
promoción de la salud en el Sistema de Gestión de la Seguridad y Salud en el Trabajo.
El riesgo químico es uno de los factores a los cuales están expuestos los trabajadores en la
manipulación, producción y almacenamiento de estos productos. Las vías de ingreso de los
diferentes materiales o agentes químicos son por la inhalación, ingestión y absorción por
vía cutánea que conllevan a desarrollar una gran cantidad de enfermedades en el trabajador.
Algunos de estos agentes son el material particulado, está fuertemente involucrado con los
niveles de enfermedades y mortalidades según la Organización Mundial de la Salud.
Con la evolución tecnológica el ser humano ha desarrollado sistemas capaces de analizar y
estudiar fenómenos de impacto social, cultural y ambiental, uno de estos es el cambio
climático en que actualmente se ve afectado el mundo. Con el uso adecuado de la
tecnología ha permitido generan nuevas alternativas y soluciones posibles para la
intervención y adecuación de mecanismos de control que conlleva a la incorporación y
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acople de diversos dispositivos de sensado y de comunicación inalámbrica mediante un
estándar o protocolo inalámbrico que permita capturar señales provenientes del medio
ambiente, a partir de ello se puede supervisar y registrar datos que son recogidos y enviados
a una ubicación en especial.
Los sensores de gases y material particulado ofrecen gran variedad de funciones
importantes en la medición de la calidad del aire para salud pública y personal, y son de
vital importancia en el sistema de seguridad y salud en el trabajo ya que permiten generar
alertas tempranas y prevenir posibles afectaciones en la salud del trabajador.
Dentro del ámbito de la seguridad y salud al trabajo, se presenta este proyecto que pretende
ser una aportación más hacia la intervención de los riesgos laborales generados en el
ambiente, desplegando una red de sensores con la capacidad de detectar el material
contaminante para así dar una alerta de alta exposición. El ámbito de aplicación puede ser
muy extenso, en cualquier escenario donde sea necesaria la prevención de enfermedades y
muertes a causa de estas partículas en el aire. En este particular caso se pretende
implementar en la compañía Olaflex S.A.S., ubicada en la localidad de Fontibón, la cual se
dedica a la manufactura de productos a base de poliuretano, los trabajadores se encuentran
expuestos a material particulado proveniente del área de corte que se encuentra ubicada en
una de sus bodegas.
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4. Objetivo general
Desarrollar e implementar una red de sensores inalámbricos que permita medir la
temperatura, humedad y nivel de concentración de material particulado en una de las
bodegas de la compañía Olaflex S.A.S
5. Objetivos específicos
Diseñar una plataforma de hardware que permita integrar los diferentes módulos
de sensado y comunicación para la captura y entrega de datos.
Diseñar e implementar una red inalámbrica de sensores que realice la medición de
la temperatura, humedad y material particulado en el área administrativa y planta de
la compañía Olaflex S.A.S.
Brindar información a la compañía Olaflex S.A.S., de las condiciones actuales
respecto a variables de temperatura, humedad y material particulado.
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8. Marco conceptual
Para dar solución al problema planteado: El presente proyecto se ha enfocado en crear,
diseñar e implementar una red de sensores inalámbricos (WSN), utilizando los sistemas
embebidos para la medición de temperatura, humedad y nivel de concentración de material
particulado, por lo tanto, se identificó la compañía Olaflex S.A.S.
SISTEMAS EMBEBIDOS
Los sistemas embebidos hacen referencia al hardware y software enfocados en cumplir una
función específica, con respecto a su unidad de procesamiento el cerebro de un sistema
embebido es típicamente un microcontrolador, aunque los datos también pueden ser
procesados por un DSP, una FPGA, un microprocesador o un ASIC, y su diseño está
optimizado para reducir el tamaño y el costo, aumentar la confiabilidad y mejorar el
desempeño (Noviembre-abril, Lutenberg, Reta, & Ferro, 2013).
En el marco histórico, el primer sistema embebido reconocido fue el sistema de guía de
Apolo desarrollado por el laboratorio de desarrollo del MIT para las misiones Apolo hacia
la Luna. (Ramos María Agustina, 2015), el cual consistía en manejar el sistema como guía
inercial de los módulos de excursión lunar, este sistema de cómputo fue uno de los
primeros en utilizar circuitos integrados, utilizando una memoria RAM Magnética con un
tamaño de 16Bits, el software fue desarrollado en el lenguaje ensamblador propio y
constituía el sistema operativo básico.
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El primer sistema embebido producido en masa, fue el computador guía del misil
norteamericano Minuteman II en 1962, El principal aspecto de diseño del computador del
Minuteman, es que además de estar construido con circuitos integrados, permitía
reprogramar los algoritmos de guía del misil para la reducción de errores, y permitía
realizar pruebas sobre el misil ahorrando así el peso de los cables y conectores.(Ramos
María Agustina, 2015)
Componentes
A continuación, se describe los principales componentes que integran los sistemas
embebidos.
Hardware
Unidad de procesamiento
Los sistemas embebidos basan su implementación en un amplio rango de arquitecturas de
procesadores, que pueden ser microprocesadores o microcontroladores, entre las que se
encuentran: ARM [5], AVR, x86, MIPS, Hitachi SuperH, IBM/Motorola PowerPC,
Motorola 68000 y Blackfin. (Jiménez, 1994)
Dispositivos de almacenamiento
Los sistemas embebidos requieren de uno o varios dispositivos de almacenamiento de la
información para iniciar el sistema, ejecutar los programas y administrar los recursos. Los
dispositivos de almacenamiento son.
o Memorias volátiles
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o Memorias no volátiles
Periféricos
Estos dispositivos son utilizados para adquirir, transmitir y almacenar la información de los
procesos realizados en el sistema.
Software
En estos sistemas se implementa un Sistema Operativo Embebido, diseñado para ser
compacto y eficiente, capaz de administrar los recursos y permitir la comunicación
hardware/software con el fin de realizar las tareas específicas para las que está
diseñado.(Jiménez, 1994)
REDES WSN
Una Red de Sensores Inalámbricos (WSN) se compone de sensores autónomos
espacialmente distribuidos con el objetivo de monitorear condiciones físicas o ambientales,
tales como temperatura, sonido, vibración, movimiento o humedad, y pasar
cooperativamente sus datos a través de la red a una ubicación principal (Dargie, 2010, págs.
168–183) . Las redes más modernas son bidireccionales, permitiendo también controlar la
actividad de los sensores (Sohraby, 2009, págs. 203–). El desarrollo de las WSN fue
motivado por aplicaciones militares tales como la vigilancia del campo de batalla (Osborne,
1980, págs. 203-209); hoy en día tales redes son usadas en muchas aplicaciones industriales
y de consumo. Las WSN son construidas por nodos, desde unos pocos hasta cientos, e
incluso miles, donde cada nodo está conectado a uno o varios sensores.
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Topologías de Red:
La forma como se disponen físicamente los nodos de una red de computadores o en este
caso específico, una red de sensores y su conexión mediante el uso de estándares y
protocolos, se denomina topología o arquitectura de red.
La topología de red la determina únicamente la configuración de las conexiones entre
nodos. La distancia entre los nodos, las interconexiones físicas, las tasas de transmisión,
definen una red y las reglas de interacción entre los componentes de la misma. La figura 6
muestra diferentes topologías de red existentes y de uso común: (wire.less.dk, 2007).
Figura 1 Topologia de Redes.
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APLICACIONES DE REDES DE SENSORES INALÁMBRICOS
Aplicaciones en la Agricultura:
Las aplicaciones de redes inalámbricas han encontrado en la agricultura una de las áreas
más importantes para implementarse. Las redes de sensores contribuyen a la optimización
de procesos y el control de las variables que afectan el entorno de desarrollo. Con los
avances en la tecnología inalámbrica y los desarrollos que se han producido en las redes de
sensores inalámbricos en los últimos años, especialmente la miniaturización de los
dispositivos, han surgido nuevas tendencias en el sector agrícola como la llamada
agricultura de precisión.
Las aplicaciones de precisión están enfocadas al control y manipulación de las variables
que afectan un entorno, a la detección a tiempo de problemas y a la gestión y optimización
de procesos. Existen algunas aplicaciones interesantes entre las que se encuentran las
aplicaciones para el control de plagas y enfermedades. Los sensores inalámbricos permiten
monitorear variables como el clima, la temperatura o la humedad de las hojas, con el fin de
detectar rápidamente situaciones adversas y desencadenar los tratamientos apropiados.
Otra aplicación interesante es el desarrollo de un sistema de monitoreo inalámbrico de
caudales en una red canales de riego. Este sistema Web permite ver el caudal a partir de las
imágenes de Google Maps, evitando así que el personal se tenga que desplazar
directamente a un sitio predeterminado para medir el terreno.
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Aplicaciones sociales y sanitarias:
Las enfermedades y sus efectos no solo en el organismo humano sino también en la vida
cotidiana de las personas que las padecen han suscitado el uso de la tecnología inalámbrica
en el proceso de seguimiento y cuidado que requiere cada caso, sin afectar la privacidad de
los pacientes y sin dejar de lado todos los cuidados médicos necesarios para llegar a la
recuperación total.
Mediante el uso de una red de sensores inalámbricos situados en puntos estratégicos del
domicilio de los pacientes, así como en objetos de uso cotidiano, las personas encargadas
del cuidado de los enfermos, pueden monitorear en tiempo real el comportamiento de las
pacientes y su evolución, evitando la realización de tareas tediosas y concentrando sus
esfuerzos en aspectos más importantes como es la mejora de la calidad de vida del paciente.
Aplicaciones en la naturaleza:
La aplicación de redes de sensores inalámbricas en la naturaleza se hace un poco compleja
debido a las grandes dimensiones que se manejan, a la flora y fauna que no deben verse
afectadas por la implementación de tecnología y a las condiciones variables que interactúan
con el medio.
Debido a estas limitaciones, los avances de este tipo de tecnología en cuanto a tamaño,
capacidad de almacenamiento y transmisión hacen de las redes inalámbricas de sensores
una herramienta que puede resultar de gran ayuda en este tipo de medios. Los sensores, de
pequeño tamaño, pueden disimularse con en el entorno, procesando los datos de diversos
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parámetros ecológicos y transmitiendo la información de forma inalámbrica hasta un centro
de control. Entre los parámetros a monitorizar están: temperatura, humedad, crecimiento de
árboles y arbustos, desplazamientos de especies, conteo de animales, caudales de ríos, etc.
(Pascual).
Aplicaciones civiles y militares
Existen distintas aplicaciones prácticas para implementar en ámbitos civiles y militares,
entre ellas se incluyen las siguientes:
Localización de espacios libres en parqueaderos.
Vigilancia de niños y personas mayores mediante videocámaras.
Seguridad del hogar.
Detector de riesgo de epidemias (gripe, fiebres, etc.)
Monitoreo de redes de computadores.
Observatorios terrestres y marítimos (costas)
SERVIDOR WEB
Un servidor web o servidor HTTP es un programa informático que procesa una aplicación
del lado del servidor, realizando conexiones bidireccionales o unidireccionales y síncronas
o asíncronas con el cliente y generando o cediendo una respuesta en cualquier lenguaje o
Aplicación del lado del cliente. El código recibido por el cliente suele ser compilado y
ejecutado por un navegador web. Para la transmisión de todos estos datos suele utilizarse
algún protocolo. Generalmente se usa el protocolo HTTP para estas comunicaciones,
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perteneciente a la capa de aplicación del modelo OSI. El término también se emplea para
referirse al ordenador que ejecuta el programa.
Enrutador:
Figura 2 Router o Enrutador.
Es el aparato encargado de conectar a dos ordenadores entre sí. En su interior contiene las
instrucciones y protocolos adecuados como para permitir el envío y la recepción de los
paquetes de información entre ambos, de modo que esta llegue a su destino y no se pierda,
usando siempre la ruta más adecuada en cada momento.
Access Point
Figura 3 Access Point.
Los puntos de acceso utilizados en casa o en oficinas, son generalmente de tamaño
pequeño, componiéndose de un adaptador de red, una antena y un transmisor de radio.
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Existen redes Wireless pequeñas que pueden funcionar sin puntos de acceso, llamadas
redes “ad-hoc” o modo peer-to-peer, las cuales solo utilizan las tarjetas de red para
comunicarse. Las redes más usuales que veremos son en modo estructurado, es decir, los
puntos de acceso harán de intermediario o puente entre los equipos wifi y una red Ethernet
cableada. También harán la función de escalar a más usuarios según se necesite y podrá
dotar de algunos elementos de seguridad.
Los puntos de acceso normalmente van conectados físicamente por medio de un cable de
pares a otro elemento de red, en caso de una oficina o directamente a la línea telefónica si
es una conexión doméstica. En este último caso, el AP estará haciendo también el papel de
Router. Son los llamados Wireless Routers los cuales soportan los estándares 802.11a,
802.11b y 802.11g. (http://www.ordenadores-y-portatiles.com/punto-de-acceso.html, s.f.)
Arduino:
Arduino es una plataforma electrónica de prototipos de código abierto basado en
flexibilidad, hardware y software fácil de usar. Está pensado para artistas, diseñadores,
aficionados y cualquier persona interesada en la creación de objetos interactivos o
ambientes.
Arduino puede percibir el medio ambiente mediante la recepción de las aportaciones de una
variedad de sensores y puede afectar a su entorno por las luces de control, motores y otros
actuadores. El microcontrolador en la placa se programa utilizando el lenguaje de
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programación de Arduino (basado en el cableado) y el entorno de desarrollo Arduino
(basado en Processing). (https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardNano, s.f.)
Sensor AM2301:
Descripción del producto
El AM2301 es un sensor de temperatura y humedad de alta confiabilidad y bajo costo que
posee una salida digital calibrada en donde combina las dos magnitudes (Temperatura y
Humedad) y puede ser integrado con un microntrolador conectado a un bus de 8 bits. El
módulo es compacto pero con un rango de acción de hasta 20 metros permitiendo aplicarlo
en proyectos que requieren de una respuesta rápida y precisa.
Figura 4 Sensor de Temperatura y Humedad.
Especificaciones Técnicas
Alimentación: 3.3Vdc ≤ Vcc ≤ 5.5Vdc
Corriente: 1-1.5mA
Rango de medición de temperatura: -40°C a 80 °C
Precisión de medición de temperatura: <±0.5 °C
Resolución Temperatura: 0.5°C
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Rango de medición de humedad: De 0 a 100% RH
Precisión de medición de humedad: 3% RH
Resolución Humedad: 0.1%RH
Tiempo de sensado: 2s
Modelo: AM2301
Longitud de cable: 25cm
Figura 5 Espesificaciones técnicas sensor particulado
Ejemplo conexión Sensor: AM2302-DHT22
Se debe conectar el sensor desde el modulo Arduino a través de los pines GND y Vcc del
mismo. Por otro lado, se conecta la salida Output a una entrada digital del modulo Arduino
entre Vcc y el Pin Output.
Figura 6 Diagrama de conexión sensor DHT22
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Sensor SHARP GP2Y10 de densidad de polvo
Este sensor de detección óptica está compuesto internamente por un diodo emisor de
infrarrojos (IRED) y por un fototransistor, colocados diagonalmente de tal forma que son
capaces de detectar las reflexiones de luz sobre las partículas de polvo en el aire.
Figura 7 Diagrama sensor particulado
Para realizar la simulación de una situación en la que el ambiente esté mucho más cargado
de partículas de polvo que en mi habitación, he adherido el sensor GP2Y10 a un
Tupperware, de un litro de capacidad, al que además he añadido un ventilador de 12VDC
con conexión directa a la fuente de alimentación, para poder incluir harina u otro elemento
que tenga pequeñas partículas a través del ventilador y que este las vaya recirculando a
través del orificio del sensor GP2Y10 para obtener diferentes lecturas.
Figura 8 Control del red sensor particulado
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Se trata de un sensor de muy bajo consumo, entorno a los 20mA, que puede ser alimentado
con un voltaje de hasta 7VDC. La salida es un voltaje lineal y proporcional a la cantidad de
polvo detectado. La sensibilidad del sensor es de 0.5V por cada 0.1 mg/m³. Para conectarlo
a nuestro Arduino, se deben de añadir una resistencia de 150Ω y un condensador de 220µF,
formando un circuito RC serie como divisor de tensión, como se puede observar en la
figura 18.
Figura 9 Alimentacion de voltaje sensor particulado
El IRED del sensor GP2Y10 que se tiene conectado al pin digital 2 de Arduino permanece
activo durante 0,32ms, que es la suma de lo que la salida Vo tarda en estabilizarse para
poder ser leída a través del pin analógico A0 (0.28ms), más los 0.04ms que la salida Vo se
mantiene en su máximo valor. Posteriormente el IRED permanece desactivado durante los
9.680ms siguientes antes de repetirse la secuencia del pulso de control (10ms) del IRED.
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Figura 10 Propotipo de WSN
En la siguiente figura se puede comprobar el voltaje de salida (en voltios) en función de la
densidad del polvo (en mg/m³).
Figura 11 Voltaje de saliday densidad de polvo
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ANTECEDENTES
Sistema de control climático de bajo costo para invernadero basado en FPGA
Un nuevo esquema para el control de invernaderos, donde el uso de comunicaciones
inalámbricas y una fusión de plataformas tecnológicas incluyen micro controladores y
arreglos de compuertas programables en campo (FPGA) faciliten las herramientas
necesarias para modular la administración de este sistema. Se propone cambiar el concepto
de tablero central de control por entidades inalámbricas capaces de monitorear las variables
de interés y, a través de etapas de potencia activar o desactivar los dispositivos
mecatrónicos implementados en el invernadero. (Universidad Autonoma de Querétaro,
2015)
Sistema prototipo para el monitoreo inalámbrico de gases contaminantes del aire
desarrollado bajo plataformas de hardware y software libre
Diseño e implementación de un sistema prototipo para el monitoreo inalámbrico de gases
de CO, O3 y NO2 utilizando plataformas de hardware y software libre. Inicialmente se
realiza una descripción general de la Red de Monitoreo Atmosférico de Quito (REMMAQ)
referente a los gases de CO, O3 y NO2, así como también una revisión de la normativa
vigente para el monitoreo y control ambiental a nivel nacional y local. Consecuentemente,
se realiza una breve revisión de trabajos previos afines, así como también se presenta las
tecnologías a ser empleadas en el sistema prototipo, analizando sus características y
prestaciones técnicas. Adicionalmente se describen las características de la Single Board
Microcontroller (SBM) Arduino UNO y de la Single Board Microcomputer (SBC)
Raspberry Pi. Posteriormente, se procede al diseño e implementación del subsistema
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transmisor y receptor cumpliendo con las fases de adquisición, procesamiento, envío y
visualización de la información de contaminación. Adicionalmente se ha desarrollado una
interfaz web conectada al Internet, que permite al usuario observar la información adquirida
a través de un mapa de contaminación. Finalmente se realizan las pruebas de
funcionamiento del sistema prototipo, se presentan los resultados obtenidos y se indican los
costos referenciales del proyecto. (Acero Delgado, 2016)
Red de sensores inalámbricos para la medición de parámetros de calidad del agua
usada en la crianza de peces amazónicos
Desarrollo de una red de sensores inalámbricos para la adquisición, envío y monitoreo de
los parámetros de calidad del agua en estanques de crianza de peces amazónicos. Esta red
se implementa bajo el estándar IEEE 802.15.4 y los datos se envían a partir de nodos con
sensores de temperatura, oxígeno disuelto, conductividad y pH (potencial de hidrógeno). El
control de la adquisición de lecturas obtenidas desde cada nodo sensor se realiza a través de
un sistema embebido que está implementado en un microcontrolador de bajo consumo y un
dispositivo de transmisión inalámbrica para enviar los datos de los sensores. En la mejora
del rendimiento de la batería que energiza el nodo sensor se utiliza un mecanismo de
control de la energía para la operación del nodo sensor. (Ríos, Milton; Yauri, Ricardo;
Rojas, 2014)
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Red de sensores de larga distancia usando Zigbee para el monitoreo y la gestión del
riesgo en el departamento del Quindío-Colombia
Por su posición geográfica y alta densidad demográfica, el departamento del Quindío es
muy sensible a riesgos de amenaza por terremotos y deslizamientos, estos últimos
generados por la acumulación de agua debida a las fuertes lluvias y desencadenados por
efectos sismológicos. Existen estudios que muestran la alta vulnerabilidad por riesgos de
deslizamiento en el departamento, y a pesar de la existencia de políticas gubernamentales
para la gestión del riesgo, no existen en el departamento redes de monitoreo confiables y en
tiempo real para estos sitios. En este trabajo se presenta el diseño de una red de sensores de
bajo costo para el monitoreo de variables hidroclimatológicas basado en tecnología ZigBee,
haciendo énfasis en las consideraciones de diseño de los nodos, las políticas de
comunicación, y estrategias adoptadas para permitir la comunicación a distancias de hasta 8
km. El diseño ha sido validado con medidas de campo, mostrando la factibilidad de
comunicación por medio de ZigBee a largas distancias. (Network, On, & For, 2014)
9. Marco legal
Resolución 0601 de 2006
Por la cual se establece la Norma de Calidad del Aire o Nivel de Inmisión, para todo el
territorio nacional en condiciones de referencia.
Que corresponde al Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, de acuerdo
con los numerales 10, 11 y 14 del artículo 5º de la Ley 99 de 1993, determinar las normas
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ambientales mínimas y las regulaciones de carácter general aplicables a todas las
actividades que puedan producir de manera directa o indirecta daños ambientales y dictar
regulaciones de carácter general para controlar y reducir la contaminación atmosférica en el
territorio nacional. (Ministerio de Ambiente, 2006)
Ley 1341 del 30 de Julio de 2009
Por la cual se definen principios y conceptos sobre la sociedad de la información y
organizaciones de las tecnologías de la información y las comunicaciones TIC. Se crea
la agencia nacional de espectro y se dictan otras disposiciones.
La presente Ley determina el marco general para la formulación de las políticas públicas
que regirán el sector de las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones, su
ordenamiento general, el régimen de competencia, la protección al usuario, así como lo
concerniente a la cobertura, la calidad del servicio, la promoción de la inversión en el sector
y el desarrollo de estas tecnologías, el uso eficiente de las redes y del espectro
radioeléctrico, así como las potestades del Estado en relación con la planeación, la gestión,
la administración adecuada y eficiente de los recursos, regulación, control y vigilancia del
mismo y facilitando el libre acceso y sin discriminación de los habitantes del territorio
nacional a la Sociedad de la Información. (Ley 1341 de 2009, 2009).
Decreto 1072 del 26 de mayo de 2015.
Capitulo 6. Por medio del cual se expide el Decreto Único Reglamentario del Sector
Trabajo
34
Sistema de gestión de la seguridad y salud en el trabajo.
Condiciones y medio ambiente de trabajo: Aquellos elementos, agentes o factores que
tienen influencia significativa en la generación de riesgos para la seguridad y salud de los
trabajadores quedan específicamente incluidos en esta definición, entre otros: (Republica de
Colombia, 2015)
a. Las características generales de los locales, instalaciones, máquinas, equipos,
herramientas, materias primas, productos y demás útiles existentes en el lugar de
trabajo.
b. Los agentes físicos, químicos y biológicos presentes en el ambiente de trabajo y sus
correspondientes intensidades, concentraciones o niveles de presencia.
c. Los procedimientos para la utilización de los agentes citados en el apartado anterior,
que influyan en la generación de riesgos para los trabajadores.
d. La organización y ordenamiento de las labores, incluidos los factores ergonómicos o
biomecánicos y psicosociales.
Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial. Protocolo para el
Monitoreo y Seguimiento de la Calidad del Aire.
Crear el Subsistema de Información sobre Calidad del Aire – SISAIRE como fuente
principal de información para el diseño, evaluación y ajuste de las políticas y estrategias
nacionales y regionales de prevención y control de la contaminación del aire. (Ministerio de
Ambiente Vivivenda y Desarrollo Territorial, 2010)
35
Sistema de Vigilancia De la Calidad del Aire Industrial (SVCAI)
Dependiendo del tipo de proceso que realice la industria se deberán realizar mediciones de
contaminantes no convencionales como metales pesados, benceno, VOCs, u otros
establecidos en la Resolución 601 de 2006 o la que la modifique, adicione o sustituya. Este
tipo de mediciones se realizarán de acuerdo con los métodos específicos para cada
sustancia publicados por el IDEAM, previa aprobación del Ministerio de Ambiente,
Vivienda y Desarrollo Territorial. (Ministerio de Ambiente Vivivenda y Desarrollo
Territorial, 2010)
Estándar IEEE 802.11 d
Especifica servicios y estos se asocian con diferentes componentes de la arquitectura. Hay
tresdos categorías de servicio IEEE 802.11: la estación de servicio (SS), el servicio PCP
(PCPS), y la distribución servicio del sistema (DSS). Estas categorías de servicio Ambos
son utilizados por el IEEE 802.11 subcapa MAC.
IEEE 802.11b incluye mejoras del estándar original 802.11 para el soporte de tasas de
transmisión más elevadas (5,5 y 11 Mbit/s), y reducirá automáticamente su tasa de
transmisión cuando el receptor empiece a detectar errores, sea debido a la interferencia o a
la atenuación del canal, cayendo a 5,5 Mbit/s, después a 2, hasta llegar a 1 Mbit/s, cuando
el canal sea muy ruidoso. (IEEE STANDARDS ASSOCIATION, 2012)
36
10. Metodología y materiales
El presente proyecto se ha enfocado en la investigación proyectiva, en lo cual se pretende
crear, diseñar e implementar una red de sensores inalámbricos para la medición de
temperatura, humedad y nivel de concentración de material particulado, por lo tanto se
identificó la compañía Olaflex S.A.S.
Esta metodología permite que el proyecto se fundamente en los procesos sistemáticos de
búsqueda, descripción, análisis, comparación y explicación. A partir de ello se identifican
las causas que han originado la condición actual de nivel de exposición a material
particulado, que por consiguiente se estable una solución de alerta temprana para que la
compañía genere medidas preventivas y/o correctivas.
Búsqueda de Información:
o Aplicaciones de desarrollo de red inalámbrica de sensores de temperatura.
o Aplicaciones de los sistemas embebidos
o Protocolos de comunicación Wifi
o Cotización de materiales
o Asesorías con el director de proyecto
o Visita de campo a la compañía Olaflex S.A.S
37
Figura 12 Compañía Olaflex S.A.S
Área Planta
Figura 13 Área Planta de corte Poliuretano. Compañía Olaflex S.A.S
Área Administrativa
Figura 14 Area Administrativa. Compañía Olaflez S.A.S
38
11. Desarrollo del Proyecto
Hardware Implementado
Sistema Embebido Arduino leonardo
Sensor de Temperatura y Humedad AM2302-DHT22
Sensor de Polvo GP2Y1010AU
Antena USR-WIFI232-T
Módulo Regulador LM1117 3.3V
Power Bank 2000 mAh.
Servidor web portals.exosite.com
Enrutador
Access Point
Figura 15 Esquema Red inalámbrica de sensores
39
Modelo de la solución
En la etapa de elaboración se definió la solución que se daría al problema usando redes de
sensores inalámbricos y con ayuda siguiente plano.
Figura 16 Plano de ubicación de sensores
40
Diagrama de flujo Generador de Datos
Iniciar
LEER N
Detener
Numero de sensores
DEFINICION DE
CODIGO
FOR (II)Ciclo infinito para enviar
datos a la pagina web
CAPTURA DE
DATOS
Define el codigo del
Arduino
Captura de datos de
temperatura,Material Particulado
Visualizar los
datos Se visualiza los datos de los dos
sendores en la pagina web
Figura 17 Diagrama de flujo
41
Diagrama esquemático
Es el layout de las conexiones del circuito que posteriormente permitirá el diseño de la
PCB.
Figura 18 Diagrama Esquematico
Circuito impreso
Es una tarjeta o placa utilizada para realizar el emplazamiento de los distintos elementos
que conforman el circuito y las interconexiones eléctricas entre ellos.
Figura 19 Circuito impreso
42
Arduino Leonardo:
El Arduino Leonardo es una placa electrónica basada en el ATmega32u4, el cual es
utilizado para el desarrollo del prototipo, este cuenta con 20 pines digitales de entrada /
salida (de los cuales 7 se pueden utilizar como salidas PWM y 12 entradas analógicas
como), un 16 MHz oscilador de cristal, una conexión micro USB, un conector de
alimentación, una cabecera ICSP, y un botón de reinicio. Contiene todo lo necesario para
apoyar el microcontrolador; basta con conectarlo a un ordenador con un cable USB o la
corriente con un adaptador de CA a CC o una batería para empezar.
Figura 20 Placas Arduino
43
Especificaciones:
Microcontrolador ATmega32u4
Tensión de funcionamiento5V
Voltaje de entrada (recomendado)7-12V
Voltaje de entrada (límites)6-20V
E/S digitales prendedores20
Canales PWM7
Los canales de entrada analógicos12
Corriente continua para Pin I / O40 mA
Corriente CC para Pin 3.3V50 mA
Memoria flash32 KB (ATmega32u4) de los cuales 4 KB utilizado por el gestor de
arranque
SRAM2,5 KB (ATmega32u4)
EEPROM1 KB (ATmega32u4)
Velocidad de reloj16 MHz
Longitud68,6 mm
Ancho53,3 mm
Peso20g
44
Diseño de la Solución Arduino
Arduino ofrece un entorno de desarrollo gratuito en el que realizar programas para que sean
volcados al microcontrolador posteriormente vía USB. Arduino se programó mediante el
uso de un lenguaje propio.
Figura 21 Código de Programacion Arduino
45
Sensor temperatura y humedad
En el siguiente comparativo se describe los diferentes sensores de temperatura y humedad, para proyecto el sensor utilizado es el
AM2302 DHT22 por las ventajas que se muestran a continuación.
Cuadro comparativo ventajas y desventajas
Nombre Imagen Ventaja Desventaja
SensorTemperatura y de
Humedad AM2302 DHT22
Tiene un tiempo de
respuesta es 2 seg
Tiene una distancia de
trasmisión de 20 mts
Tiene un bajo consumo de
energías
Es económico y fácil de
conseguir en el mercado
SENSOR DE
TEMPERATURA LM35
Su rango de medición
abarca desde -55 °C hasta
150 °C
Necesita una conversión
analógica-digital previa y
una decodificación
posterior en el momento de
la recepción.
No viene integrado la
humedad que requiere el
prototipo
46
Sensor De Humedad Y
Temperatura DHT11
Es económico y fácil
de conseguir en el
mercado
El tiempo de respuesta es 5
seg
Tiene una distancia de 10 mts
Cuadro comparativo Sensor de Partícula
Nombre Imagen Ventaja Desventaja
Sensor SHARP GP2Y10
Está diseñado para
detectar partículas de
polvo muy finas como
el humo del cigarrillo,
y se utiliza
comúnmente en los
sistemas de purificador
de aire.
El sensor tiene un muy
bajo consumo de
corriente
Difícil conseguir en el
mercado
Es el único sensor en el
mercado que mide
partículas en el aire
47
Cuadro comparativo modulo wifi
Nombre Imagen Ventajas Desventaja
WIFI module: USR-
WIFI232-T
soporte de estándares
IEEE 802.11b / / n
Wireless
soporte TCP / IP
Protocolos de red
Soporte AT + para la
configuración del conjunto
de instrucciones
Microcontrolador de 32 bit
Wifi 2.4 GHz
WPA/WPA2
Esp8266-01
soporte de estándares
IEEE 802.11b / / n
Wireless
Solo es configurable por
comandos AT.
Consumo alto
No tiene una seguridad
WPA/WPA2
No tiene mucho alcance.
48
Módulo Regulador LM1117 3.3V:
Influye principalmente en la carga. Se necesita un condensador muy común mínimo 10 mF
para la estabilidad. El chip de recorte permite al regulador para alcanzar una tolerancia de
tensión de salida muy apretado, dentro de ± 1% a 25 ° C. El LD1117 es ajustable pin a pin
compatible con la otra norma, reguladores de voltaje ajustables que mantienen las mejores
prestaciones en términos de caída y la tolerancia.
Figura 22 Regulador LM1117
Características:
Baja tensión (1 V típ.)
La corriente de salida de hasta 800 mA
voltaje fijo de salida de: 1,2 V, 1,8 V, 2,5 V, 3,3 V, 5,0 V
Versión de disponibilidad ajustable (VREF = 1,25 V)
limitación de corriente y térmica interna Disponible en ± 1% (a 25 ° C) y el 2% en
el rango de temperatura
rechazo Tensión de alimentación: 75 dB (típico).
WIFI module: USR-WIFI232-T
Los módulos están configurados y controlados usando comandos AT (son instrucciones
codificadas que conforman un lenguaje de comunicación entre el hombre y un terminal
49
modem.) que conecta automáticamente a un punto de acceso Wi-Fi (AP) y abre un enlace
TCP.
A continuación, ir directamente a un modo transparente que pasa datos, sin alteraciones,
entre TCP y el puerto serie
SERVIDOR WEB – EXOSITE PORTALS
Plataforma Murano
El servidor web utilizado es la plataforma Murano ya que es un conjunto de capas de
software que se integran en la nube, incluyen la infraestructura, el desarrollo, la
administración de dispositivos y productos, el enrutamiento de datos, la integración de
servicios (con servicios como almacenes de datos, alertas y plataformas de análisis)
aplicaciones, autor /roles / permisos de usuarios y alojamiento de aplicaciones.
(http://docs.exosite.com/)
50
Figura 23 Plataforma Murano
La interfaz gráfica del servidor web:
Figura 24 Interfaz Exosite Portals
Existen otras aplicaciones de IoT (Internet of Things) que se muestran en la siguiente tabla
comparativa de las más conocidas.
51
Tabla 1 Comparativa plataformas
Implementación de seguridad
Se implementa una seguridad WPA2 y encriptación ARES para la seguridad los datos
enviados al servidor web.
Figura 25 Configuración de seguridad
52
Almacenamiento de Datos
Para el almacenamiento de datos exosite, posee los datos en objetos llamados recursos
puerto de datos estos pueden almacenar muchos pares de valores / timestamp. Los recursos
de puerto de datos se agrupan bajo un cliente que representa el dispositivo físico u otra
entidad.
Los puertos de datos pueden ser del tipo int, float o cadena. Las cadenas pueden contener
datos formateados (formatos como JSON, XML, CSV). (http://docs.exosite.com/)
Esta plataforma permite exportar los datos a un archivo de excel, por lo cual se realiza
copias de seguridad (backup) dirigiendo el almacenamiento a un motor de base de datos
Postgresql mediante el proceso ETL (extraer, transferir, cargar) utilizando la herramienta
Pentaho que permite la integración de los datos.
53
12. Resultados
Con base al desarrollo del proyecto se diseñó una plataforma de hardware para la
integración de los diferentes módulos de sensado y comunicación para la captura y entrega
de datos, mediante una red inalámbrica de sensores que realiza la medición de la
temperatura, humedad y material particulado en el área administrativa y planta de la
compañía Olaflex S.A.S.
Ubicación sensor área de planta
Figura 26 Sensor área de planta
Ubicación sensor área administrativa
Figura 27 Sensor área administrativa
54
Visualización de los datos en el servidor web (área planta).
MATERIAL PARTICULADO
Para realizar la comparación de los valores de concentración de material particulado se
toma como referencia los TLV que es el valor limite permisbles recomendados por la
ACGIH en su publicación de 2013, el cual es contemplado en la “guía de atención integral
de salud ocupacional basada en la evidencia para la neumoconiosis”. Es decir que la
neumoconiosis es la acumulación de polvo en los pulmones y las reacciones tisulares
provocadas por su presencia. Así que se considera como una condición en la cual se
produce una alteración en la estructura pulmonar tras la inhalación y permanencia de
polvos inorgánicos en el tejido pulmonar.(Ministerio de la Protección Social, 2006)
Los valores limites permisibles según GATISO-NEUMO son:
Tabla 2. Valores limites permisibles (TLV)
CONTAMINANTE VALOR LIMITE PERMISIBLE (TLV)
Polvo total 10 mg/m3
Polvo respirable 3 mg/m3
En los resultados obtenidos se evidencia que los valores de polvo se encuentran en un rango
de 0,17 mg/m3 a 0,14 mg/m
3 como se ilustra figura 29, es decir que no superan el valor
límite permisible de 10 mg/ m3
de nivel de exposición en la seguridad y salud del trabajo.
55
Figura 28 Densidad de Polvo
TEMPERATURA
Para realizar la comparación de los datos obtenidos se tuvo como referencia los valores
recomendados para el índice TGBH en °C, según el reglamento técnico colombiano para
evaluación y control de sobrecarga térmica en los centros y puestos de trabajo.
Tabla 3. Valores recomendados para el índice TGBH en °C.
El resultado obtenido por el sensor muestra valores de temperatura entre 23.8°C y 24.1°C,
como se muestra en la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. . Por lo tanto el
56
nivel de exposición es moderado teniendo en cuenta que el tipo de actividad que realiza el
operario es caminando, levantando o empujando objetos grandes y manejo de maquinaria.
Figura 29 Resultado de temperatura
57
HUMEDAD
El rango adecuado de humedad de los diferentes ambientes de trabajo debe estar entre 40 y
70%, siendo ideal entre 55 y 65%. En este caso los resultados obtenidos muestra que los
valores son de 16.2% y 15.6%, lo que quiere decir que se encuentra por debajo de los
valores recomendados para el índice TGBH.
Figura 30 Valores de humedad de la planta
58
13. Conclusiones
El desarrollo de una PCB permitió la integración de sistemas embebidos de control y
sensado en un único módulo para capturar y procesar información de magnitudes
ambientales dentro de un ambiente laboral real.
Se logró la implementación e instalación de los módulos de sensado en la Compañía
Olaflex S.A.S., permitiendo conocer las condiciones de ambientales del entorno laboral en
la que se encuentran expuestos los trabajadores tanto del área administrativa y el área de la
planta, realizando las comparaciones de los resultados con los valores limites permisibles
establecidos por el ministerio de la protección social.
59
14. Recomendaciones
Con el desarrollo del proyecto se evidenció que para futuras mejoras se desarrolle la
interfaz gráfica de visualización de los datos procesados por los módulos de sensado
y realizar la conexión a un sistema de gestor de bases de datos para el
almacenamiento de la información.
El sistema podrá ser mejorado a través de un microcomputador tipo raspberry que
integra muchas mas funciones y permite un mejor desempeño tanto de software y
hardware.
60
15. Referencias bibliográficas
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Area Local o LAN ( Local Area Network ), 13–37.
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