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APLICACIÓN IoT PARA MITIGAR EFECTOS DE ESCAPES DE GAS NATURAL EN

COMUNIDADES MENOS FAVORECIDAS

AUTORES:

MIGUEL ANGEL VALBUENA NUÑEZ

DAVID RICARDO MEDINA HERNANDEZ

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD TECNOLÓGICA

INGENIERIA EN TELECOMUNICACIONES

BOGOTA D.C. – 2018

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APLICACIÓN IoT PARA MITIGAR EFECTOS DE ESCAPES DE GAS NATURAL EN

COMUNIDADES MENOS FAVORECIDAS

AUTORES:

MIGUEL ANGEL VALBUENA NUÑEZ

Código: 20161373003

DAVID RICARDO MEDINA HERNANDEZ

Código: 20152373013

TRABAJO DE GRADO PARA OPTAR AL TÍTULO PROFESIONAL EN INGIENERÍA EN

TELECOMUNICACIONES

DIRECTOR DE PROYECTO: MSC. GIOVANI MANCILLA GAONA

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD TECNOLÓGICA

INGENIERIA EN TELECOMUNICACIONES

BOGOTA D.C. – 2018

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1. DEDICATORIA

A dios por permitirme llegar a este proceso de formación y por todas las bendiciones que de

una u otra forma me han dado la fortaleza suficiente para nunca desfallecer.

A mis padres por todo el apoyo y comprensión que me han sabido brindar desde el primer

momento por todos sus consejos y especialmente por todo su afecto y apoyo para que nunca

me falten las ganas de seguir adelante, por todos aquellos principios éticos y morales que

siempre me han servido para ser mejor persona.

A todo mi núcleo familiar por brindarme apoyo incondicional y su gran admiración hacia mis

proyectos de vida, por sus consejos y asesorías que siempre me han llenado de valor para

continuar en mi formación y me a permitido llegar a donde hoy he llegado.

A mis amigos y compañeros de la academia que me han brindado enseñanza y me han

enseñado muchas cosas tanto para mi formación personal como para mi formación

profesional, cada uno de estos amigos han dado su granito de arena para permitirme mejorar

día a día y siempre buscar un mejoramiento continuo.

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2. AGRADECIMIENTOS

Los autores expresan sus agradecimientos a:

Al profesor Giovani Mancilla Gaona por su gran apoyo incondicional y por sus grandes

palabras que siempre nos llenaron y nos motivaron para lograr ejecutar este proyecto.

Al señor Juan de Jesús Valbuena Bocarejo y a la señora Armida Núñez por permitirnos un

espacio en su hogar para la ejecución del proyecto y aparte de eso por su apoyo

incondicional en todo el desarrollo del proyecto, por sus buenos consejos y apoyo que de una

u otra forma aportaron para la realización de este proyecto.

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3. RESUMEN

En el hogar a diario se hace uso del gas natural sin tener presente los riesgos que este lleva,

debido a que por un mal uso se pueden presentar incidentes como lo es la intoxicación o

incendios, afectando la integridad de las personas que viven allí. Todos estos incidentes son

ocasionados por fallas humanas al olvidar cerrar el paso de este gas.

El propósito de realización del proyecto fue mitigar este tipo de incidentes por medio del

monitoreo de los niveles de gas en el área de la cocina y así mismo se generó un proceso

para identificar si existe algún peligro, en tal caso de que este se presentase se procede a

hacer uso del principio de IoT para notificar al celular de varios residentes de la casa y que

desde este puedan proceder a cerrar la válvula principal.

El sistema actual es capaz de detectar en tiempo real cuando el nivel de gas en el hogar

sobrepase los parámetros mínimos y por ende sea peligroso para los residentes,

adicionalmente este logra notificar correctamente a los usuarios para que puedan proceder a

corregir la falla y evitar la tragedia que se pueda presentar si no se procede a tiempo. Si el

sistema genera la alerta y este no recibe ninguna indicación para cerrar la válvula, este es

capaz de cerrarla automáticamente.

Una de las expectativas fuertes de este proyecto siempre fue mitigar el impacto que puede

ser generado por este gas volátil, basados en que se han presentado casos en los cuales

terminan siendo situaciones de tragedia debido a que acaba con la vida de las personas que

lo inhalen por tiempo prolongado.

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INDICE

1. DEDICATORIA ............................................................................................................... 3

2. AGRADECIMIENTOS ..................................................................................................... 4

3. RESUMEN ...................................................................................................................... 5

4. INTRODUCCION ............................................................................................................ 7

5. ANTECEDENTES ........................................................................................................... 8

6. OBJETIVOS .................................................................................................................. 12

7. MARCO TEORICO ....................................................................................................... 13

8. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ........................................................................... 30

9. JUSTIFICACIÓN ........................................................................................................... 33

10. METODOLOGIA ........................................................................................................ 33

11. PLANTEAMIENTO DE LA SOLUCIÓN ..................................................................... 35

12. RESULTADOS Y PROCESO DE DESARROLLO ..................................................... 42

13. CONCLUSIONES ...................................................................................................... 53

14. BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................................... 54

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4. INTRODUCCION

En el diario vivir las telecomunicaciones se plasman como una necesidad primordial de

todas las personas, a lo largo de la historia se ha venido notando estos cambios y

evoluciones que está a traído consigo, y todo esto acompañado del auge de la tecnología

que también ha venido presentando una gran evolución en cuanto a los dispositivos y las

aplicaciones que se pueden desarrollar con estos.

Con base en que las telecomunicaciones están muy correlacionadas con el diario vivir de las

personas, se hizo uso de las mismas para el desarrollo e implementación de un sistema de

monitoreo que con el uso del principio de IoT, que permite el manejo remoto desde un celular

de un actuador mecánico con el fin de que este corte el paso de gas natural en la cocina de

una residencia. Este manejo remoto del actuador se da tomando como principio que en dicha

cocina se encuentra un sensor MQ9, el cual es capaz de detectar la cantidad de ppm

(partículas por millón) de monóxido de carbono que se puede presentar en un área

específica, la lectura del sensor se puede ver en tiempo real desde el dispositivo móvil

tomando en cuenta que se pone en práctica el principio básico de IoT, debido a que este

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sensor se encuentra directamente conectado a un sistema autónomo el cual es capaz de

tomar esta lectura gracias a un ADC (conversor análogo digital), que le permite al

computador de placa reducida (Raspberry PI) poder hacer la lectura eficiente del sensor

debido a que este dispositivo no tiene pines análogos, a este dispositivo el cual es el cerebro

del proyecto también se encuentra conectado un módulo GSM/GPRS que brinda otra

alternativa de comunicación entre el sistema y el celular del usuario, con el fin de poder

notificar por medio de un mensaje SMS que el nivel de gas natural sobrepasa los parámetros

normales y que la concentración de monóxido de carbono puede afectar a las personas que

lo inhalen.

La implementación de este sistema tuvo como fin mitigar las pérdidas humanas que se han

venido presentando por diversos descuidos y malos manejos del gas natural que se da al

interior de una residencia.

5. ANTECEDENTES

Actualmente a nivel mundial se han venido presentando diversos desarrollos en el campo de

IoT, los cuales han permitido adoptar soluciones que permiten el desarrollo tanto en el campo

de la industria como en cada uno de los hogares donde este tipo de proyectos se logran

implementar. Con base en esto se tendrán de referentes los proyectos a continuación

nombrados, los cuales tienen enfoques y campos de trabajo que se encuentran muy

correlacionados con la aplicación plasmada en esta monografía.

5.1 Adaptación e implementación de un sistema autónomo de bajo coste de monitorización de

calidad del agua en tiempo real.

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El principio y objetivo de este proyecto maneja gran relación con el proyecto a realizar debido

a que se enfoca mucho en mitigar las pérdidas humanas ocasionadas por diferentes fluidos

con los que se convive todo el tiempo en el hogar. Este proyecto se enfoca en la

monitorización de la calidad del agua que se consume en un hogar y el almacenamiento de

datos en tiempo real, pero en comparación con el proyecto planteado en este documento el

almacenamiento en tiempo real se trabaja con el principio de IoT lo cual permite el acceso a

estos datos remotamente y al igual la comunicación constante con el usuario, adicionalmente

esta conectividad se hace por la red y pues en el proyecto de calidad del agua almacena la

información en una tarjeta SD y esto pues hace muy vulnerable la información. Con este

proyecto se pretende manejar una mejor seguridad en cuanto a la lectura de los datos

tomados del sensor y al tiempo de reacción para poder afrontar el problema a tiempo y poder

mitigar las pérdidas humanas por estos fluidos (agua o gas) [2].

5.2 Diseño e implementación de un sistema de monitoreo remoto para un calentador

solar.

Este proyecto inicialmente se considera muy importante debido a que se trabaja el monitoreo

remotamente, aunque este monitoreo se da por la red celular móvil y haciendo uso del

módulo GSM, en el contexto de este proyecto el monitoreo se centra en el nivel de agua y de

temperatura y aunque este maneje la notificación por medio del módulo GSM el usuario no

tiene ningún control desde un punto de acceso remoto para poder modificar en cierta forma

estos parámetros. Con base en el proyecto que se pretende implementar, este sí permite

tener control sobre el sistema de monitoreo desde cualquier punto remoto, lo cual se puede

resaltar y tener muy en cuenta para poder ejercer un control sobre el sistema y así hacer más

uso eficiente de los datos almacenados en tiempo real [3].

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5.3 Sistema de monitoreo de monóxido de carbono a través de una red de sensores

inalámbrica y una plataforma como servicio en la nube para una residencia

En este proyecto se ve reflejado el trabajo en la nube, tomando como base que el monitoreo

de este sistema se hace con un servicio en la nube y se ve reflejado el uso de IoT.

Adicionalmente la implementación de sensores en este sistema es muy interesante teniendo

en cuenta que para el proyecto a desarrollar se tiene contemplada la conectividad cableada

entre el sensor y el computador de placa reducida (encargado de procesar todos los datos).

Este proyecto maneja una gran relación con el sistema implementado, debido a que

contempla la misma línea de investigación y enfoca su trabajo con el monóxido de carbono

producido por el gas natural que se usa habitualmente en las residencias [4].

5.4 Implementación de un prototipo para el Monitoreo de dióxido de carbono (CO2),

monóxido de carbono (CO) y metano (CH4) en lugares residenciales utilizando el

sistema operativo Android y Arduino

Este proyecto utiliza un sistema muy parecido al planteado en nuestro proyecto ya que se

monitorea la contaminación en lugares residenciales, con varios sensores que envían los

datos adquiridos de niveles de monóxido de carbono, dióxido de carbono y gas metano,

procesando los datos por medio de un microcontrolador, como lo es el Arduino UNO; los

resultados del monitoreo se muestran por medio de una aplicación móvil que generan

diferentes alertas, una por medio de SMS mensaje de texto y otra realizando llamada

perdida a un número celular registrado previamente; estas alertas son generadas cuando el

nivel de contaminación supera el umbral permitido, además se activa un sistema de

ventilación con un mecanismo que permite abrir una ventana en la residencia y así disipar el

gas que contamina el ambiente [5]

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5.5 ITEAD SONOFF

Este proyecto comercial integra el módulo ESP8266. Y está conformado por un interruptor

WIFI Sonoff de la empresa ITEAD. Este interruptor cuyo firmware se conecta a un servicio en

la nube y que permite controlarlo mediante una aplicación de Android o IOS. Brinda la

posibilidad no solamente de encender o apagar tanto de forma local como remota, sino

también se pueden programar acciones muy fácilmente. Lo que más gusta de estos

interruptores es que como están diseñados alrededor del ESP8266, se puede cambiar su

firmware y adaptarlo a cualquier necesidad en particular, todo esto es muy didáctico

simplemente se requiere de hacer una investigación que brinde información sobre como

modificar este tipo de interruptores. [10]

Con relación al trabajo desarrollado en esta monografía se puede observar el manejo local y

remoto del sistema, lo cual es parte esencial de este proyecto ya que gracias al manejo

remoto del sistema se puede lograr el cerrado eficiente de la válvula y adicionalmente la

lectura en tiempo real de los datos sin necesidad de estar dentro de la misma red donde se

encuentra ubicado el sistema como tal. [10]

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6. OBJETIVOS

6.1. General.

➢ Implementar una aplicación IoT de bajo costo que permita monitorear el nivel de

monóxido de carbono generado por la estufa de gas en un área residencial, en este

caso la cocina de un hogar familiar en comunidades menos favorecidas.

6.2. Específicos.

• Adquirir y procesar los datos tomados por el sensor de monóxido de carbono, con el

fin de identificar la cantidad que se pueden leer en un instante de tiempo, y así poder

tratarlos e identificar aquellos que suministran información relevante, con el

computador de placa reducida raspberry pi.

• Generar una serie de alertas (alarma sonora, notificación a la aplicación, enviar

mensaje de texto) que notifique a los usuarios en tiempo real cuando el nivel de

monóxido sobrepase el umbral de tal manera que pueda afectar la integridad de las

personas que lo inhalen.

• Activar remotamente, en tiempo real actuador mecánico que cierre la válvula principal

del gas, por medio de una señal enviada desde el celular al computador de placa

reducida, y analizar los tiempos de respuesta al momento de enviar la señal.

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7. MARCO TEORICO

7.1. IoT (internet of things)

Internet de las cosas (IdC), algunas veces denominado "Internet de los objetos", lo

cambiará todo, incluso a nosotros mismos. Si bien puede parecer una declaración

arriesgada, hay que tener en cuenta el impacto que Internet ha tenido sobre la educación,

la comunicación, las empresas, la ciencia, el gobierno y la humanidad. Claramente

Internet es una de las creaciones más importantes y poderosas de toda la historia de la

humanidad. Ahora debemos tener en cuenta que IdC representa la próxima evolución de

Internet, que será un enorme salto en su capacidad para reunir, analizar y distribuir datos

que podemos convertir en información, conocimiento y en última instancia, sabiduría. En

este contexto, IdC se vuelve inmensamente importante. Ya están en marcha proyectos de

IdC que prometen cerrar la brecha entre ricos y pobres, mejorar la distribución de los

recursos del mundo para quienes más los necesitan y ayudarnos a comprender el planeta

para que podamos ser más proactivos y menos reactivos. Aun así, son varias las barreras

que amenazan con retrasar el desarrollo de IdC, como la transición a IPv6, el

establecimiento de un conjunto de normas en común y el desarrollo de fuentes de energía

para millones (incluso miles de millones) de sensores diminutos. Sin embargo, mientras

que las empresas, los gobiernos, los organismos normativos y las áreas académicas

trabajan conjuntamente para resolver estas dificultades, IdC prosigue su camino. Por lo

tanto, la meta de este informe es explicar, en términos sencillos y claros, de qué se trata

IdC de forma tal que se pueda comprender su potencial para cambiar todo lo que

actualmente conforma nuestra realidad. IdC en el presente Al igual que con varios

conceptos novedosos, las raíces de IdC se pueden remontar al Instituto de Tecnología de

Massachusetts (MIT), hasta llegar al trabajo del Auto-ID Center. Este grupo, fundado en

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1999, realizaba investigaciones en el campo de la identificación por radiofrecuencia en

red (RFID) y las tecnologías de sensores emergentes. Los laboratorios de investigación

estaban conformados por siete universidades ubicadas en cuatro continentes,

seleccionadas por Auto-ID Center para diseñar la arquitectura de IdC.1 Antes de analizar

el estado actual de IdC, es importante ponerse de acuerdo en una definición. Según el

Grupo de soluciones empresariales basadas en Internet (IBSG, Internet Business

Solutions Group) de Cisco, IdC es sencillamente el punto en el tiempo en el que se

conectaron a Internet más “cosas u objetos” que personas. [11]

Figura 1: Estructura global de Internet de las cosas IoT [6].

7.2. ¿Por qué es tan importante IdC?

Antes de que se pueda ver la importancia de IdC, es necesario comprender las

diferencias que existen entre Internet y World Wide Web (o web), términos que suelen

utilizarse indistintamente. Internet es la capa física o la red compuesta de switches,

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routers y otros equipos. Su función principal es transportar información de un punto a otro,

de manera veloz, confiable y segura. La web, por otro lado, es una capa de aplicaciones

que opera sobre la superficie de Internet. Su rol principal es proporcionar una interfaz que

permite utilizar la información que fluye a través de Internet. [11]

7.3. Aplicación IoT Blynk

esta aplicación fue escogida para uso en el proyecto debido a que: inicialmente pues es una

aplicación gratuita lo cual reduce costos considerables, también porque tiene su servidor

propio de internet lo cual le permite establecer conectividad con cualquier modulo que tenga

acceso a internet y finalmente porque es una aplicación didáctica tanto para el usuario como

para las personas que le brindan soporte.

Blynk es una plataforma con aplicaciones IOS y Android para controlar Arduino, Raspberry Pi

y los gustos a través de Internet, es un tablero digital donde puedes construir una interfaz

gráfica para tu proyecto simplemente arrastrando y soltando los widgets. Blynk no está atada

a una tabla o escudo especifico, puedes trabajar con el hardware de tu elección ya sea con

un Arduino o Raspberry Pi; desde que esté conectado a internet a través de Wi-Fi, Ethernet o

o con el chip ESP8266, Blynk lo pondrá en línea y listo para Internet Of Your Things. [12]

Los usuarios tendrán la posibilidad de crear una interfaz gráfica de usuario de “arrastrar y

soltar” para su proyecto en cuestión de minutos y sin ningún gasto extra. Se pretende que

sea fácil para cualquier usuario sin importar el nivel que este tenga que pueda crear

fácilmente cualquier proyecto que tenga en mente. Aunque como dicen es su web no es solo

para principiantes ya que ingenieros, desarrolladores y makers más avanzados también

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puedan usar esta plataforma empleándola como una herramienta de creación rápida de

prototipos con los que puede probar nuevas ideas antes de crear el resultado final. Blynk

vendría a ser como tener una protoboard en tu dispositivo móvil, Tablet o teléfono, que

cuenta con todo lo que necesites usar, desde deslizadores y plantillas a gráficos y otros

widgets funcionales que se pueden organizar para poder recopilar datos de los sensores que

montes en un proyecto, simplemente necesitas conectar tu proyecto a internet. [12]

7.4. Raspberry pi

Es un computador de placa reducida de bajo costo desarrollado en Reino Unido por la

Fundación Raspberry Pi, La placa, del tamaño de una tarjeta de crédito tiene varios puertos y

entradas, dos USB, uno de Ethernet y salida HDMI. Estos puertos permiten conectar el

miniordenador a otros dispositivos, teclados, ratones y pantallas, el software es open source,

siendo su sistema operativo oficial una versión adaptada, denominada Raspbian, aunque

permite usar otros sistemas operativos, incluido una versión de Windows 10. En todas sus

versiones incluye un procesador Broadcom, una memoria RAM, una GPU, puertos USB,

HDMI, Ethernet (El primer modelo no lo tenía), 40 pines GPIO y un conector para cámara. Se

instala el sistema en una tarjeta SD para posteriormente programar nuestra aplicación. Los

puertos GPIO son los que se van a utilizar para programar las señales que se van a enviar y

recibir tanto de los sensores como de los actuadores. [7]

Un ordenador del tamaño de una tarjeta de crédito La Raspberry Pi adopta la forma de una

PCB del tamaño de una tarjeta de crédito, utiliza SoC de Broadcom, se puede observar su

aspecto en la figura 2 y adicionalmente proporciona:

• Un procesador ARMv6 de 700 MHz.

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• 256 MB de RAM.

• Una GPU 1080 p con salidas HDMI y de vídeo.

• Conector de audio de 3,5 mm.

• Conector de 26 vías con GPIO, UART, I2C y SPI.

Conectores para JTAG, DSI (display LCD) y CSI (cámara).

• Ranura para tarjeta SD • USB. [7]

Figura 2: Raspberry PI (computador de placa reducida) [7].

7.5. Comunicación SPI

Es un protocolo con un bus síncrono, lo que significa que utiliza líneas separadas para datos

y reloj, lo que dota a ambos dispositivos de perfecta sincronización. El reloj le indica al

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dispositivo receptor el momento exacto en que puede tomar el bit de la línea de datos

enviado por el transmisor. El pulso de reloj puede ser tanto de subida (rising) como de bajada

(fallin). Cuando el receptor recibe este pulso, inmediatamente toma el dato de la línea y lo

almacena en un registro de corrimiento. Un dato importante a tener en cuenta son los límites

de velocidad del reloj del dispositivo receptor, ya que la frecuencia de la señal generada por

el reloj del transmisor, puede ser más alta que la soportada por el receptor, causando

problemas en la comunicación. Una de las razones por las que el protocolo SPI es muy

popular es porque el hardware que lo compone es un simple registro de desplazamiento

(shift register), el cual tiene un costo mucho más bajo que los chips USART/UART. [8]

7.6. Descripción del protocolo SPI

La comunicación SPI, pronunciado spay o es-pi-ai (Serial Peripheral Interface por sus siglas

en inglés) es uno de los protocolos seriales síncronos más versátiles y más utilizados en el

mundo de los microcontroladores, por su facilidad de implementación y su velocidad de

comunicación en distancias cortas. Una gran infinidad de sensores, chips y módulos de

hardware se comunican por medio de este protocolo, por lo que saber dominarlo y

programarlo a la perfección nos abre un mundo de posibilidades a la hora de crear proyectos

y ampliar las capacidades de los mismos con periféricos y sensores que se comuniquen por

medio de este protocolo. Este protocolo está basado en la arquitectura maestro-esclavo, en

el que el dispositivo maestro tiene el control de bus, el cual pone los datos y genera la señal

de reloj que se enviarán al dispositivo esclavo en particular. Los datos son enviados serial

mediante las 3 líneas que conforman al bus: MOSI (Master Output Slave Input), MISO

(Master Input Slave Output) y SCLK (Clock). El comportamiento de estas señales depende

de si el dispositivo está actuando como maestro o como esclavo. En el dispositivo maestro,

las señales MOSI y SCLK se comportan como salida y la señal MISO como entrada y son

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generadas y controladas por el mismo maestro. En el dispositivo esclavo, la señal MISO es

configurada como salida y las señales MOSI y SCLK como entrada, respondiendo con datos

en el bus cuando se detecta la señal de reloj y los datos de entrada. [8]

7.7. Arduino nano

se opto por esta placa de Arduino gracias a su bajo costo y su aprendizaje didáctico que

maneja también por que es un dispositivo no volátil, y permite una comunicación estable

entre el modulo GPRSGSM/SIM800l lo cual es indispensable para la notificación a los

usuarios a su dispositivo movil en caso de que el mismo no tenga acceso a internet.

El Arduino nano es una pequeña y completa placa basada en el ATmega328 (Arduino nano

3.0) o el ATmega168 en sus versiones anteriores (Arduino nano 2.x) que generalmente se

usa conectándola a una protoboard. El Arduino nano posee una selección automática de la

fuente de alimentación y puede ser alimentado a través de:

❖ Una conexión mini-B USB.

❖ Una fuente de alimentación no regulada de 6-20V (pin 30).

❖ Una fuente de alimentación reguada de 5V (pin 27). [14]

7.8. Características

❖ Microcontrolador Atmel ATmega328.

❖ Tensión de operación (nivel lógico): 5voltios.

❖ Tensión de entrada (recomendado):7-12 voltios.

❖ Tensión de entrada (limites): 6-20 voltios.

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7.9. Sensor de Monóxido de Carbono CO y Gases Inflamables, MQ5

dentro de la serie de los sensores MQ se optó por este porque su sensibilidad para con el

monóxido de carbono es superior a los otros, también por su salida tanto digital como

análoga de las lecturas tomadas y adicionalmente porque no requiere mucho tiempo de

calentamiento (2 a 5 minutos) para hacer lecturas acertadas y correctas.

Este sensor de gas es un semiconductor que detecta la presencia de Monóxido de

carbono en concentraciones de 10 hasta 1000 ppm y gas combustible desde 100 hasta

10000ppm. El sensor entrega voltaje analógico que solo requiere un pin con entrada

analógica del microcontrolador que se requiera usar. Este sensor puede operar a

temperaturas de -10 hasta 50°C y consume menos de 150mA a 5V. Compatible con

cualquier microcontrolador. En las figuras 3 y 4 se puede observar tanto y aspecto físico

del mismo como el circuito que este implementa para su correcto funcionamiento. [8]

Figura 3: Sensor de monóxido de carbono y gases inflamables [8].

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Figura 4: Circuito sensor de monóxido de carbono y gases inflamables [8].

7.10. Módulo Gsm Gprs SIM 800L

Para empezar se puede3 decir que se escogio este modulo debido a su buena capacidad

para establecer comunicación en 3G, esto gracias a su antena que le permite una mayor

sensibilidad en la transmicion y otro aspecto importante para la selección del mismo es por

su reducido tamaño.

Esta es la versión mini placa de desarrollo principal GSM / GPRS en serie basado en el

módulo GPRS A6. Es compatible con la red / GPRS de banda dual GSM, GPRS y disponible

para la transmisión remota de SMS mensaje de datos. La placa cuenta con un tamaño

compacto y bajo consumo de corriente. Con la técnica de ahorro de energía, el consumo de

corriente es tan baja como 3 mA en modo de reposo. Se comunica con el computador de

placa reducida a través del puerto UART, apoya al mando, incluyendo GSM 07.07, 07.05 y

GSM Ai-pensador mejorado Comandos AT. [9].

Este módulo de telefonía celular que te permite añadir voz, texto, datos y SMS a tu proyecto

en un pequeño paquete, contiene una cantidad sorprendente de tecnología. Esta versión

cuenta con un conector uFL. Utiliza el mismo chip SIM800L que el módulo FONA de Adafruit,

por lo que se pueden utilizar las mismas librerías. [9].

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Figura 5: Modulo GSM/GPRS [9].

En la figura 5 se observa el modulo con sus respectivas partes que lo componen, tanto su

antena como los pines para el respectivo trabajo con el mismo en una proto board.

7.11. Conversor ADC MCP3008

Este dispositivo fue seleccionado para trabajar debido a que dentro de sus especificaciones

indica que viene diseñado para el trabajo con raspberry pi, y gracias a esto pues brinda una

facilidad para la comunicación entre varios sensores y la raspberry pi

El dispositivo MCP3008 es un convertidor analógico-digital de aproximaciones sucesivas de

10 bits con circuitería integrada de muestreo y retención. El diseño de MCP3008 lo hace

ideal para aplicaciones de sistemas de control embebidos. La arquitectura de registros de

aproximaciones sucesivas (SAR) y una interfaz estándar SPI, le permite al ADC de 10-bits la

capacidad de ser utilizado con cualquier microcontrolador. El MCP3008 tiene un muestreo de

200 muestras por segundo, 8 canales de entrada, bajo consumo, 5nA en modo standby y

425µA activo. Está disponible en encapsulados PDIP-16 y SOIC, dentro de las aplicaciones

para el MCP3008 incluyen: adquisición de datos, instrumentación, data loggers, PCs

industriales, control de motores, robótica, automatización industrial, sensores inteligentes,

instrumentos portables y aplicaciones médicas.

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7.12. Electroválvula 1/2" pulgada De Cierre Para Gas Domestico

se optó por esta válvula debido a la seguridad que la misma maneja porque cuando esta es

activada por un pulso eléctrico o cualquier señal recibida por parte de la raspberry, para

poder hacerle apertura a esta es necesario hacerlo manualmente lo cual nos da un nivel de

seguridad elevado en caso de que desde el dispositivo móvil se ejecute la opción de cierre

de válvula repetidas veces esta una vez cerrada ya no habilitara el paso de gas de no ser

manualmente.

Esta es una válvula de cierre de emergencia de gas doméstico: es un dispositivo de

seguridad para tubería de gas doméstico que puede ser conectada a un sensor de gas,

permite el cierre automático cuando el sensor detecta una fuga de gas y envía el pulso

eléctrico que cierra la electro válvula, la apertura se debe hacer de forma manual, halando la

palanca roja de la parte superior. El electro válvula puede ser instalada de forma horizontal o

vertical.

Figura 6: Electroválvula 1/2" De Cierre Para Gas Doméstico [9].

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7.13. Niveles de toxicidad del monóxido de carbono y el dióxido de nitrógeno

síntomas de salud relacionados

A continuación, en las tablas 1 y 2 se relaciona las contraindicaciones y los efectos que el

monóxido de carbono produce en una persona, esto con base en la cantidad de ppm

(partículas por millón) presentes en un ambiente, en la tabla 4 también se muestra en

escala más puntual los efectos de las mismas. Esto como efectos de primera escala los

cuales no vienen a manejar un nivel de peligro elevado para las personas que lo inalen.

La tabla 2 esta mas enfocada a los niveles de alarma que se generan con base en unos

estándares nacionales para los niveles de exposición al monóxido de carbono y esta con

base a los estándares planteados por institutos americanos, esta con el fin de de tener

soporte de donde se plantean los niveles de ppm (partículas por millón) en nuestro

prototipo.

Tabla 1: concentraciones de monóxido de carbono y los efectos que conlleva [15]

25

Tabla 2: niveles de alarma y estandares nacionales para los niveles de exposicion al CO [15]

7.14. Recomendaciones según diversas organizaciones

7.14.1. Servicio murciano de salud

El Servicio Murciano de Salud es el organismo encargado del sistema de prestaciones

sanitarias públicas en la Comunidad Autónoma española de Murcia, perteneciente al

Sistema Nacional de Salud creado en 1986 y que sustituyó al INSALUD. Dentro de sus

recomendaciones se encuentra:

• Se produce cuando se queman materiales combustibles como gas, gasolina,

keroseno, carbón, petróleo, tabaco o madera en ambientes de poco oxígeno. Las

chimeneas, las calderas, los calentadores de agua y los aparatos domésticos que

queman combustible, como las estufas, también pueden producirlo si no están

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funcionando correctamente. Los vehículos parados con el motor encendido también lo

despiden.

• El aire interior generalmente puede contener cierta concentración de monóxido de

carbono debido a que estos provienen de elementos que se encuentran generalmente

en las viviendas como: chimeneas, calderas, calentadores de agua y los aparatos

domésticos que queman combustible, como las estufas (que pueden producirlo si no

están funcionando correctamente), con lo que se recomienda que se revise

periódicamente el estado de estas instalaciones.

• El humo de tabaco ambiental en viviendas, oficinas, vehículos y restaurantes puede

levantar la concentración de monóxido de carbono media de 8 horas a 23-46 mg/m3

(20-40 ppm), con lo que es aconsejable no fumar en espacios interiores.

• Las concentraciones de monóxido de carbono dentro de los vehículos son

generalmente más altas que aquellas medidas en el aire exterior.

• Debido a que la ruta más probable de exposición al monóxido de carbono es respirar

aire contaminado, se debe tratar de limitar las actividades al aire libre durante los

períodos de mayor contaminación.

• Se puede controlar la exposición prestando atención a la información facilitada en

la página web de calidad del aire de la Dirección General de Medio Ambiente. [16]

7.14.2. Centro Europeo de la OMS para el medio ambiente y la salud (ECEH),

Bonn Alemania

El Centro Europeo para el Medio Ambiente y la Salud (ECEH), establecido en 1991, opera

como un centro de excelencia científica de la OMS / Europa, proporcionando a los Estados

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Miembros pruebas de última generación sobre la naturaleza y la magnitud de la salud

ambiental existente y emergente riesgos, y ayudándolos a identificar e implementar políticas

para abordar estos riesgos.

ECEH es parte de la Oficina Regional de la OMS para Europa y se encuentra en Bonn,

Alemania.

Desarrolla recomendaciones sobre políticas y directrices internacionales, como las

relacionadas con la calidad del aire y el ruido, para informar y apoyar la toma de decisiones

por parte de los gobiernos, los profesionales de la salud, los ciudadanos y otras partes

interesadas.

ECEH apoya el proceso europeo sobre medio ambiente y salud, iniciado por la OMS /

Europa en 1989. Las actividades actuales se centran en el seguimiento de la Quinta

Conferencia Ministerial sobre Medio Ambiente y Salud, celebrada en Parma (Italia) en 2010.

[17].

7.14.3. CRIS -Unitat de Terapeutica Hiperbarica (Hospital de Creu Roja

Barcelona)

CRIS-UTH ha adquirido una cierta experiencia en el tratamiento de la intoxicación aguda por

monóxido de carbono (ICO). La casuística actual supera los 700 casos tratados de forma

prospectiva en los últimos 12 años. Su análisis permite extraer conclusiones de interés y de

alta significación estadística.

La totalidad de esos casos provenía de otros centros hospitalarios. Hemos observado una

serie de anomalías repetidas en muchos casos, tanto en las fases iniciales del diagnóstico

como en la valoración y tratamiento precoz aplicado en los centros emisores. Varios de estos

28

errores pueden tener consecuencias graves para la salud de los enfermos y en no pocas

ocasiones han desembocado en lesiones irreversibles. La revisión pormenorizada de estos

casos será difundida en su momento, pero la importancia práctica de algunos datos nos

mueve a adelantar esta carta en la que señalamos a continuación los principales errores que

suelen cometerse en estos enfermos.

• Diagnóstico. Todavía recibimos con una relativa frecuencia a enfermos «intoxicados

por gas butano» en los que se confunde un síndrome asfíctico con una intoxicación.

Por el contrario, se olvida a veces que, si bien los gases licuados del petróleo no

contienen CO, éste se puede formar como resultado de una combustión incompleta en

una estufa o calentador defectuoso.

• Cuadro clínico. Algunos médicos esperan observar el color rojo cereza, indicado como

típico en varios libros, y que se observa en realidad en pocos casos. Los síntomas de

ICO son inespecíficos (cefalalgia, vómitos, náuseas. vértigo, astenia, alteración de

conciencia) y con facilidad ocasionan diagnósticos diferentes.

• Interpretación de la gasometría. Sólo los cooxímetros informan del contenido real de

oxígeno. En las ICO los aparatos convencionales ofrecen gasometrías normoxémicas

o a lo sumo ligeramente hipoxémicas y pueden inducir a actuaciones conservadoras

cuando el paciente está gravemente hipóxico. Existen métodos matemáticos para

calcular la PaO2 real según la tasa de carboxihemoglobina (HbCO).

• Valoración de la carboxihemoglobina. Su determinación confirma el diagnóstico pero

no guarda relación con la gravedad del cuadro ni con el pronóstico. Es frecuente

obtener resultados normales en pacientes en coma, o bien grandes elevaciones de

HbCO en pacientes asintomáticos. En algunos hospitales se condiciona el diagnóstico

29

y la actuación terapéutica a las tasas de HbCO. En cuanto a las cifras de normalidad,

deseamos comunicar que realizamos hace varios años un estudio piloto en 41

voluntario a los que se determinó la HbCO basal. La media en los 21 fumadores fue

de 4,6 ± 4,4 (3,2-8,9) y en los 19 individuos normales de 2,3 ± 1,3 % (1,1-3,2).

Estimamos en consecuencia que debe ser considerada como patológica toda tasa de

HbCO superior al 4 % en la población normal, o al 9% en los fumadores.

• Sobrestimación de la oxigenoterapia normobárica. Algunos cálculos matemáticos, no

correlacionados con observaciones clínicas, sugieren que la vida media de la HbCO

se reduce a 80 min. aplicando O2 al 100%. En la práctica muchos pacientes que han

recibido O2 con FiO2 altas, durante a veces más de 48 horas, presentan todavía

valores de HbCO en nuestra serie fue de 22,8 ± 11.3 (n = 345) al principio y disminuyo

a 1,9 ± 2,5 (p < 0,0001) tras recibir 76 min de oxigenoterapia hiperbárica (OHB).

• Olvido del síndrome neurológico tardío (SNT). En algunas revisiones hasta el 30 % de

los enfermos desarrollan un cuadro degenerativo desmielinizante, después un período

asintomático de varios días o incluso de semanas, al haber respondido, al parecer de

forma favorable, al tratamiento normobárico. Hemos comprobado que no es

excepcional que algunos médicos, incluso neurólogos, ignoren la existencia del SNT o

lo confundan con las secuelas neurológicas de la intoxicación aguda.

• Retraso en solicitar tratamiento hiperbárico. La OHB ha demostrado en muchas

revisiones ser la forma óptima de tratamiento de la ICO, por cuanto acelera la

normalización de la HbCO y la recuperación sintomática, disminuye los días de

hospitalización, y previene la aparición del SNT. Demasiadas veces los servicios de

urgencia retienen a los pacientes durante horas en espera de los resultados de HbCO,

30

o desaconsejan la OHB al obtener resultados normales en pacientes con síntomas

claros.

• Conviene recordar en último lugar que la OHB es un tratamiento de bajo coste y que

en manos expertas es casi inocuo. De acuerdo con diversas revisiones y en especial

con las pautas propuestas por la Undersea and Hyperbaric Medical Society, y por el

European Committee for Hyperbaric Medicine, la OHB debe aplicarse en las

siguientes situaciones, 1) cuadro clínico claro de ICO con independencia de la tasa de

HbCO; 2) elevación de HbCO incluso en paciente asintomático y, 3) todos los casos

de ICO durante la gravidez. [18].

8. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Pequeñas fugas de gas pueden afectar gravemente la salud de los habitantes de una casa,

con una posible intoxicación que se produciría por inhalación de monóxido de carbono; en

ocasiones se olvida cerrar, o se dejan mal cerradas las válvulas de la estufa lo que produce

una acumulación de este gas peligroso que puede causar intoxicación o la muerte cuando se

trata de grandes cantidades, además una fuga de este gas puede causar un incendio o una

explosión con una pequeña chispa, el propósito de realización del proyecto es mitigar este

tipo de incidentes por medio de monitoreo de los niveles de gas en el área de la cocina, con

un sensor que está tomando lectura continuamente y analizando los datos capturados para

enviar una señal por mensaje SMS al celular de varios de los residentes de la casa y a una

aplicación para Android, alertando del peligro y así pueda ser activado un sistema

31

remotamente que permita el cierre de la válvula principal de gas, adicionalmente el sistema

puede activar automáticamente el cierre en caso de no ser activado por el usuario.

El sistema también tiene una alarma sonora al interior de la casa que se activa al presentarse

un nivel de gas monóxido peligroso, todo controlado por medio de un ordenador de placa

reducida que hace el análisis de los datos y está conectado a internet para realizar la

comunicación con los usuarios.

Como se muestra en la figura 7 en el periodo comprendido entre los años 2008 y 2016 se

han notificado 863 casos de intoxicación por monóxido de carbono, siendo los meses de

marzo y octubre para todos los años analizados, los de mayor incidencia de casos, lo cual

probablemente está relacionado con las épocas de mayor precipitación en el año, donde se

puede presentar menor ventilación y mayor estancia en el interior de las viviendas o de

recintos cerrados [1].

De acuerdo con el comportamiento del indicador se observa que entre el 2008 y 2010 se

presentaron en promedio 75 casos anuales; durante los años 2011 a 2014 la notificación

superó los 100 casos, teniendo un pico durante el año 2013 (n=169), para el año 2015

desciende a 79 casos y en el año 2016 se presenta nuevamente una disminución de casos

(n=33) [1]. Los casos notificados para el año 2016, se registraron durante el segundo

semestre, observando una disminución en la notificación con respecto al segundo semestre

de 2015 (62 casos). Estos 33 casos se presentaron principalmente en vivienda (n=17), lugar

de trabajo (n=15), y en población adulta (n=16, entre 27 y 44 años) [1].

En las siguientes dos gráficas (figura 7, tabla 1) se logra identificar los casos de intoxicación

que se han presentado en los últimos 8 años en Bogotá.

32

Figura 7: casos de intoxicaciones por monoxido de carbono [1].

Tabla 1: Datos puntuales de los casos que se han presentado en los untimos 9 años [1].

33

Tabla 2: concentraciones de monóxido de carbono y los efectos que conlleva [1].

9. JUSTIFICACIÓN

Colombia es un país en desarrollo tecnológico que está empezando a incursionar en el área

del internet de las cosas, este proyecto es un claro ejemplo de cómo se puede utilizar el

internet en beneficio de los colombianos con proyectos de bajo costo. Adicionalmente con

base en los datos soportados en el planteamiento del problema, este proyecto brinda un gran

aporte a las comunidades menos favorecidas en pro del beneficio y mejora de calidad de

vida.

10. METODOLOGIA

10.1 metodología propuesta

Se va a utilizar una aplicación diseñada para proyectos de IoT (Internet of Things) encargada

de conectar dispositivos móviles con hardware como el Arduino, Raspberry pi, o módulo

34

ESP8266 por medio de Ethernet o WiFi y conexión a internet, en este caso vamos a utilizar el

computador de placa reducida Raspberry pi ya que cuenta con puerto Ethernet y puertos

GPIO que se pueden conectar a diferentes dispositivos electrónicos como el sensor de gas

por medio de un conversor análogo digital, y el actuador mecánico que se encargara de

cortar el paso del gas, luego de tener conexión celular-raspberry se hará adquisición de los

datos capturados por el sensor de monóxido de carbono mq-9 y por medio de un conversor

análogo digital se procesaran los datos en la raspberry para visualizarlos en formato ppm

(partículas por millón), al tener los datos en este formato se puede establecer el umbral de

ppm de monóxido de carbono que se vuelve peligroso para la inhalación del ser humano, y

así programar el sistema de alarmas que serán establecidos, que alerten por medio de una

señal sonora al interior de la residencia y otras dos por medio de internet y mensaje de texto

(sms), por internet en la aplicación instalada en dispositivo android y otra por medio de sms a

varios números de celular previamente configurados en el módulo gsm que se conecta a la

raspberry pi en los puertos GPIO, este sistema permitirá ver remotamente en tiempo real la

cantidad de monóxido de carbono que hay en el ambiente de la residencia, adicionalmente la

aplicación tendrá la opción que permite cerrar la válvula principal de gas con un actuador

mecánico, el sistema tendrá la capacidad de cerrar automáticamente dicha válvula en caso

de que no se tome una medida correctiva por parte de uno de los residentes de la casa.

35

11. PLANTEAMIENTO DE LA SOLUCIÓN

Figura 8: Diagrama de bloques general

11.1 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE LA SOLUCIÓN PROPUESTA

(EVALUACIÓN DE TECNOLOGÍAS)

11.1.1. ADQUISICIÓN DE DATOS: En este bloque esta contenido la parte física

del sensor, el cual es el encargado de hacer lectura de los datos constantemente,

adicionalmente este también se encuentra conectado físicamente al conversor

análogo digital MCP3008, el cual es encargado de tomar la lectura análoga de los

datos y convertirla a digital para poder enviar los datos tomados por el mismo al

36

computador del placa reducida para que estos puedan ser procesados y poder

finalmente llegar a una toma de decisión con base en los niveles de gas

presentes en la cocina del hogar. Adicionalmente con base en los cambios que se

hicieron para encontrar la ubicación adecuada del mismo fue necesario hacer

pruebas para lograr calibrar la sensibilidad adecuada y poder hacer una lectura

correcta de los datos.

Para que el computador de placa reducida pueda hacer lectura de los datos fue

necesario establecer una comunicación SPI entre el MCP3008 la cual se hizo de la

siguiente manera (ver figura 9):

Figura 9: conexión física entre el MCP3008 y a Raspberry.

En la figura 9 se observa la conexión física que se implemento para una lectura

correcta de los datos, pero para que esta lectura se pudiera hacer también fue

necesario hacer unas configuraciones en nuestra raspberry, las cuales a continuación

serán descritas:

• se instaló una librería llamada wiringpi, la cual permite hacer el enlace entre un archivo

llamado Main.cpp y las librerías de la aplicación utilizada en el dispositivo. Este es el

archivo en el cual se introduce todo el código fuente para correr tanto la comunicación

37

SPI, el ADC, la comunicación entre la raspberry, la configuración de los pines GPIO y

la aplicación del dispositivo móvil.

• Dentro del archivo Main.cpp se introdujo el código fuente tanto para la lectura del adc

como para la comunicación SPI, este código fuente del archivo main.cpp no se puede

compartir por temas de vulnerabilidad a ser copiado.

11.1.2. COMPUTADOR RPI: Este bloque está definido como el bloque central o

el cerebro del proyecto, debido a que este es el encargado de brindar

conectividad entre el actuador y la red. Adicionalmente es el encargado de hacer

una interpretación correcta de los datos tomados por el sensor y con base en esto

poder entrar en un ciclo para la toma de una decisión que determine si es

necesario generar las alertas pertinentes, (notificación en aplicación del teléfono

móvil, alarma sonora y mensaje SMS), esto tomando en cuenta que el nivel de

monóxido de carbono sobrepase los parámetros mínimos (no afectación de la

integridad física de las personas). Lo que le permite a este computador de placa

reducida generar estas alertas es la conectividad física con internet, la alarma

sonora y la conectividad con el Arduino NANO para poder indicarle al módulo

GPRS/GSM si es necesario proceder a hacer el envió de un mensaje. También

es necesario que para que todo esto funcione se haga una configuración

respectiva en la raspberry la cual será descrita a continuación:

❖ Instalación de librerías para poder establecer comunicación entre la aplicación de IoT

llamada BLYNK, estas librerías son: wiringpi y blynk/library

❖ Se ingresa a el archivo main.cpp y se pone a correr respectivas librerías.

38

❖ Estando dentro del archivo main.cpp se procede a la configuración respectiva de los

pines GPIO de la raspberry para poder manejarlos desde el teléfono móvil,

adicionalmente esta configuración se hace dentro de un condicional con base en lo

datos tomados por el sensor. Esto debido a que con base en estos datos se hace

manejo de los pines GPIO de la raspberry para activar el actuador mecánico, activar

alarma sonora o para proceder a hacer envió del mensaje.

❖ Este archivo main.cpp es el que se ejecuta cuando por medio de un comando se

establece la comunicación entre la aplicación del dispositivo móvil y la raspberry, lo

cual quiere decir que este es el que contiene todo el código fuente para que la

aplicación funcione correctamente.

11.1.3. ALARMA SONORA: Este bloque es el encargado de generar una alerta

al interior de la casa cuando el computador identifica que el nivel de gas

monóxido está acercándose al umbral de peligro. Todo esto lo puede hacer

gracias a que este tiene una conexión física con un módulo relé de 2 canales el

cual es el que recibe la señal del computador de placa reducida, cuando este

modulo relé recibe la señal el relé conmuta y habilita el paso de voltaje para

poder activar la respectiva sirena indicando que hay una presencia de gas muy

elevada en el ambiente de la casa, el fin de esta alerta es avisar a las personas

que están expuestas en el lugar donde haya este nivel elevado de gas, a

continuación en la figura 10 se puede observar la sirena implementada en esta

aplicación.

39

Figura 10: alarma sonora

11.1.4. MODULO GSM: este bloque es uno de los más importantes de la

topología del proyecto debido a que es el encargado de notificar en tiempo real si

existe un ambiente peligroso al interior de la residencia, esto lo hace por medio

del envió de mensaje de texto al celular por sms de varios usuarios, todo este

proceso se genera por medio de una configuración previa en este módulo la cual

permite él envió eficiente de este tipo de mensajes. Este envío de mensajes se

hace con base en los datos suministrados por el computador de placa reducida,

el cual tiene una conexión física con un módulo Arduino nano para el envío de

datos, este Arduino recibe un uno lógico que se encarga de indicarle que hay que

enviar un mensaje debido a la alteración de gas en la casa.

11.1.5. APLICACIÓN IoT: Bloque donde se tiene interfaz en tiempo real con el

usuario final por medio de Internet, se puede ver nivel de monóxido de carbono

en el área de la cocina de la residencia, generar alerta al celular y cerrar válvula

40

principal de gas por medio de la aplicación. Bueno para que esta aplicación

funcione correctamente también fue necesario hacer unas configuraciones

previas de la misma. A continuación en la figura 10 se muestra la interface final

de la aplicación, en la parte de arriba aparece un slader que es el encargado de

mostrar en tiempo real la lectura tomada por el sensor, también se puede

observar el pulsador en estado OFF, este pulsador es el encargado de cortar el

paso del gas en un momento determinado simplemente oprimiéndolo, los otros

dos botones que se observan en los laterales son los encargados de las

notificaciones, el uno para notificación a la aplicación y otro para notificación vía

mensaje de texto. Cada uno de estos botones requiere una configuración para

que puedan funcionar correctamente con la raspberry, esta configuración se

maneja desde la misma aplicación

Figura 11: aspecto final de la aplicación

41

11.1.6. ACTUADOR MECÁNICO: Este bloque está compuesto por el actuador

mecánico el cual está conectado físicamente con el computador de placa

reducida y tiene la función importante de activarse cuando el nivel de gas

monóxido presente al interior de la residencia sea peligroso, todo esto con una

previa indicación que le da el computador de placa reducida la cual es enviada

con base en la instrucción que le sea suministrada por parte del usuario luego de

que este reciba la notificación de que el nivel de monóxido de carbono al interior

de la residencia supera el umbral mínimo y pueda ser peligroso para las personas

que se encuentren al interior de esta. Adicionalmente después de un tiempo

determinado que se haya enviado la notificación al usuario y este no envié la

instrucción de cerrar la válvula el sistema automáticamente cerrara la válvula. En

la figura 12 se muestra como quedo instalado finalmente el actuador, este se

instalo antes de el acople entre la manguera de gas natural y la entrada de la

estufa, algo que caracteriza a este actuador es que para su apertura si es

necesario hacerlo manualmente, esto por temas de seguridad para evitar que por

error desde la aplicación el usuario habilite el paso de gas.

42

Figura 12: actuador instalado

12. RESULTADOS PRUEBAS Y PROCESO DE DESARROLLO

12.1. MONTAJE DEL SENSOR

Inicialmente en el proceso de desarrollo del proyecto se hace la ubicación estratégica del

sensor de tal manera que este pueda tomar lecturas eficientes de la cantidad de gas que se

puede presentar en una cocina, para esto fue necesario hacer diversas pruebas dentro de las

cuales se logra identificar una ubicación adecuada para que este no se vea afectado por el

calor emitido por la estufa cuando esta esté en uso y así mismo que se logre hacer una

buena lectura, adicionalmente de ahí se parte a implementar un circuito dentro de la cocina

para poder hacer las conexiones del sensor con nuestro computador de placa reducida

(Raspberry PI).

A continuación en la tabla 3 se describen unos datos tomados con base en pruebas del

comportamiento del sensor en espacios de diferentes tamaños, todo esto para identificar el

comportamiento del mismo según el tamaño de la cocina y los espacios abiertos en los

cuales sea ubicado, la tabla nos arroja una indicación la cual nos da a entender que en una

cocina de área reducida el monóxido de carbono se concentra más rápidamente, y por lo

mismo la lectura se hace de manera más rápida y toma menos tiempo.

43

tamaño de la

cocina en mts ^2

distancia del sensor a el fogon

de la estufa en centimetros

tiempo de lectura y generacion

de alarma por parte del sensor

en segundos

45 1.3

60 3.4

75 8.9

45 1.2

60 3.1

75 6.8

45 4.7

60 7.8

75 12.5

Resultados de la lectura del sensor en cocinnas de diferentes tamaños

9 =3m*3m

4.8=1.6m*3m

36=6m*6m

Tabla 3: ubicaciones aleatorias del sensor para optar por la mejor

12.2. MONTAJE DEL ACTUADOR MECANICO

Para la implementación de este actuador se hizo necesario hacer unas investigaciones en

cuanto a las dimensiones de la tubería del gas natural y que tipo de actuador podría ser el

más adecuado para el cierre del paso de gas, adicionalmente para hacer un buen montaje de

este se hizo necesario recurrir a una persona con conocimientos en cuanto montaje y

desmontaje de registros, esto con el fin de que este quedara debidamente instalado. En la

figura D se puede observar el montaje final del mismo.

12.3. LECTURA DEL SENSOR POR PARTE DEL ADC

En este ítem se hace uso del conversor análogo digital MCP3008 para lograr hacer la lectura

de la salida análoga del sensor y por medio de este lograr enviar un dato digital a nuestro

computador de placa reducida, debido a que este no tiene entrada de pines digitales. El

MCP3008 es un convertidor de analógico-a-digital de 8 canales de 10 bits (ADC). Es barato,

44

fácil de conectar y no requiere ningún componente adicional. Para este caso vamos a utilizar

1 de los 8 canales, donde se conecta la señal analógica que es tomada por el sensor MQ9.

12.4. MUESTREO DE DATOS DEL SENSOR EN LA RASPBERRY

Para la implementación de este ítem se hace necesaria una conexión directa entre el

conversor análogo mcp3008 y el computador de placa reducida (Raspberry pi), esta conexión

se hace en los pines utilizados por el computador de placa reducida para la lectura de datos

por el protocolo de comunicación SPI, adicionalmente a la pre configuración que hay que

tener en el computador de placa reducida (instalación sistema operativo raspbian,

conectividad a internet), es necesario compilar un código en C para poder establecer el

protocolo SPI y poder hacer la lectura del ADC en nuestro computador de placa reducida, la

lectura se muestra en la siguiente imagen.

45

Figura 13: Datos tomaos del conversor analogo digital ADC en la raspberry pi

En la figura 13 se puede identificar los datos tomados de la lectura del ADC en el computador

de placa reducida, pero adicionalmente hay que procesar estos datos para poder enviar en

términos de ppm (partículas por millón) a la aplicación en el dispositivo móvil.

12.5. CONEXIÓN Y CONFIGURACIÓN DEL GPRS

En este punto del proyecto se procede a hacer la configuración del modulo SIM800L para lo

cual se hace necesario establecer una comunicación con el Arduino nano, por medio de

rs232 comunicación serial, esta comunicación es la que va a permitir que con base a los

datos tomados en la raspberry, se pueda desde la misma enviar datos pertinentes al Arduino

nano para que nuestro gprs pueda establecer una comunicación directa con nuestro

dispositivo móvil por medio de mensajes de texto SMS y así generar una notificación al

usuario si los niveles de gas al interior de la cocina de su residencia están por encima del

umbral de funcionamiento normal, para que este desde su mismo dispositivo móvil y por

46

medio de la aplicación Blynk pueda enviar información a la raspberry para que esta

efectivamente por medio de los pines GPIO pueda enviar un pulso y activar el actuador

mecánico para cortar el paso de gas en un momento determinado.

Para que el módulo gprs SIM800L pueda brindar este tipo de servicio también se hace

necesario el uso de una sim card, la cual no trae limitación en cuanto al operador de servicio

y es la encargada de poder establecer comunicación con el número de teléfono del

dispositivo móvil previamente configurado en la raspberry

12.6. CONFIGURACIÓN DE LA APLICACIÓN EN DISPOSITVO MÓVIL

En este punto del desarrollo del proyecto es donde se hace uso del principio de IoT (Internet

of things) por medio de una aplicación creada para estos fines, la cual es conocida como

Blynk, dentro de sus características principales se encuentra el uso de su servidor propio

para el manejo de la información que se pueda llegar a utilizar cuando estemos desarrollando

aplicaciones con la misma.

Adicionalmente se pudo interpretar que esta aplicación es muy didáctica tanto con el usuario

final como con el que la implementa, para la configuración previa de esta aplicación se hace

necesario un registro desde la misma para poder adquirir código de seguridad llamado token,

el cual es el que nos va a permitir establecer la comunicación segura entre la raspberry y la

aplicación móvil para el tratamiento de los datos.

Para la configuración de la aplicación se hace la descarga desde la tienda Play Store o App

Store y se registra por medio del correo electrónico, luego se procede a hacer uso de los

widgets según la necesidad del proyecto, para nuestro caso puntual se hizo uso de 1 gauge

settings (ajuste de medidor), notification settings (configuración de aplicación), email setting

(notificación por correo), button setting (configuración de boton). Cada uno de estos widgets

47

tiene una función especifica dentro de nuestro proyecto, el gauge setting se encarga de

mostrar el nivel de gas tomado por el sensor y todo esto en tiempo real, el notification

settings es el encargado de generar la notificación propia en la aplicación, esta maneja dos

tipos de notificaciones; la primera es para indicar que el computador de placa reducida se

desconecta de la red y la otra y muy importante es cuando el nivel de gas es demasiado

elevado, el email setting es el botón encargado de generar la notificación vía correo

electrónico cuando el nivel de gas es demasiado alto, y finalmente el button setting es el

encargado de enviar la instrucción a nuestro computador de placa reducida para que esta

envié el pulso al actuador mecánico y se pueda hacer el corte del paso de gas para evitar

afectar la integridad de las personas que puedan estar inhalando el gas en ese momento, en

la figura D se puede observar la configuración final de la misma.

12.7. PROGRAMACIÓN DE LA RASPBERRY PI

En este punto es muy importante dentro del desarrollo del proyecto debido a que todo el

proceso nombrado en los ítems anteriores y toda la configuración que ya tiene nuestro

computador de placa reducida están independientes, lo cual quiere decir que hasta este

punto cada ejecutable esta independiente; el de la lectura del ADC, la comunicación entre la

raspberry y la aplicación, la comunicación directa entre un pin GPIO y el actuador mecánico.

Por este motivo se hace necesario compilar todo en un solo ejecutable para el correcto

funcionamiento de nuestra aplicación, como ya se habló anteriormente el ejecutable donde

se genera todo el código fuente es el main.cpp y es ahí donde se comprimen todos los

archivos con cada función específica del proyecto. Ya con esto debidamente programado se

procede ha hacer pruebas pertinentes de la aplicación completa con todo programado.

48

12.8. RELACIÓN COSTOS DEL PROYECTO

DESCRIPCIÓN Y CUANTIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS DE USO PROPIO

(En miles de $)

EQUIPO VALOR – U. Distrital

Monitor con entrada HDMI $ 130

Dispositivo móvil (celular) $ 204

Fuentes DC $ 38

Computador $ 120

Multímetro $ 8

TOTAL $ 500

Tabla 4: Descripción y cuantificación de equipos de uso propio.

La tabla 4 hace una breve descripción de equipos que se hicieron necesarios para la

ejecución del proyecto, el objetivo de relacionar los costos del mismo es dejar soportado

con pruebas el en documente de que si se maneja un bajo costo para el desarrollo del

mismo, los datos en cuanto a precios soportados en la tabla 3, son valores que no

estarán incluidos en el precio final en caso de que se desarrolle un producto a partir de

este prototipo, pues se sobreentiende que generando un producto estos componentes

vendrían a ser herramientas para el desarrollo del mismo.

DESCRIPCIÓN DE LOS EQUIPOS QUE ADQUIRIERÓN

(En miles de $)

49

EQUIPO

JUSTIFICACIÓN RECURSOS TOTAL

U.

Distrital

Contrapart

ida

Computador

de placa

Reducida

Se espera que la unidad del

control y la que lleve todos

los procesos y cálculos será

un computador de placa

reducida

.

$0

$180

$180

Módulos gsm,

Arduino nano,

sensor mq5 y

actuador

Para la comunicación se va

a emplear unos módulos de

comunicación los cuales van

a permitir la notificación al

móvil de varias personas de

la casa

$0

$236

$236

TOTAL

$0

$336

$416

Tabla 5: descripción de equipos que se adquirieron para ejecutar el proyecto

En este punto se hace una descripción mas puntual de lo que si fue necesario comprar, la

tabla 5 muestra los elementos necesarios para el funcionamiento total del proyecto, esta

tabla si es contemplada al momento de generación de un producto a partir del prototipo

debido a que estos materiales si son indispensables para el desarrollo del mismo como

para cada producto que se quiera desarrollar, por ende, esta inversión si viene a ser

referente por cada unidad. Y es aquí donde se diferencia de la tabla numero 3 que incluye

las herramientas a utilizar para la generación de producto.

50

comparación precios de dispositivos actuales en el mercado (en miles de $)

dispositivos existentes en el mercado precio

Xixi Gas Natural Fugas Indicador Alarma Sensor Detector 127$

Medidor de gas CDL 210 525$

Medidor de gas /Transmisor AQ-FM S900 710$

Medidor de gas CO2 CONTROL 1120$

Medidor de gas PCE-AC 2000 1657$

Medidor de gas PCE-AC 3000 635$

Detector De Gases Combustible Y De Escape, con Alarma Y Luz 524$

Medidor de gas XgardIQ 3420$

Tabla 5: descripción de precios de equipos implementados en para fines similares

En la tabla 5 se hace una justificación de los precios de productos a implementar en

aplicaciones similares y esto con el fin de hacer la identificación de lo costoso que puede

llegar a ser la adquisición de un sistema de este índole, vale aclarar que

independientemente de que estos precios son mas elevados que los contemplados en la

tabla 4 que son referentes al prototipo diseñado, estos sistemas ninguno tiene incluida la

válvula de cierre y mucho menos monitoreo desde el dispositivo móvil, lo cual es un valor

agregado y para fines de los mismos su precio seria mas elevado y es aquí donde se ve

reflejado el bajo costo de prototipo al cual corresponde esta monografía.

51

12.9. TIEMPOS DE RESPUESTA POR PARTE DEL ACTUADOR ENVIANDO

SEÑAL DESDE DIFERENTES LUGARES

3G 4G

Candelaria la Nueva 2,8 segundos 0.7 segundos

Tunal 2.7 segundos 0.8 segundos

Suba 2.9 segundos 0.8 segundos

Engativá 3.1 segundos 1.0 segundos

Soacha 3.0 segundos 0.9 segundos

Chía 2.8 segundos 1.0 segundos

Tunja 2.9 segundos 0.9 segundos

Tabla 6: Descripción de tiempos de respuesta en red 3g y 4g tomado desde diferentes ubicaciones geográficas

En la tabla 6 se observan los datos desde diferentes partes de la ciudad e incluso desde

otras ciudades, cada valor en la tabla es un promedio de cinco muestras tomadas y

promediadas para una mejor lectura, como se puede observar la comunicación varia

únicamente de acuerdo a la red móvil en la que se encuentra registrado el celular y no de la

ubicación geográfica, así se puede obtener un buen tiempo de respuesta al momento de

activar el cierre de la válvula de gas por medio de la aplicación móvil.

52

12.10. TIEMPOS DE RESPUESTA DE CIERRE DE LA VALVULA CON

DIFERENTES OPERADORES MOVILES EN BOGOTÁ

3G 4G

CLARO 2,6 0,6

TIGO 2,8 0,8

VIRGIN 2,7 0,7

MOVISTAR 2,5 0,6

AVANTEL 2,6 0,7

Tabla 7: Descripción de tiempos de respuesta en red 3g y 4g tomado con diferentes operadores móviles.

En la tabla 7 se observa los datos tomados con diferentes operadores móviles y los tiempos

de respuesta que se tienen en las diferentes redes 3g y 4g respectivamente, para estas

pruebas se tomaron cinco muestras y se promediaron dejando un valor aproximado para

cada operador, nuevamente se llega a la conclusión que lo que mas importa es el tipo de red

con la que el dispositivo móvil se conecta a internet, si estamos en una ciudad con cobertura

4g el tiempo de respuesta para activar el actuador que cierra la válvula de gas es muy bueno.

53

13. CONCLUSIONES

❖ Se logra identificar que la lectura de los datos se puede hacer cada 100ms, lo cual es

muy positivo debido a que esta velocidad en la lectura de los datos también se ve

reflejada en la aplicación, y por ende se logra obtener un buen tiempo de respuesta

por parte del usuario en caso de alteración de los niveles de gas.

❖ El uso de diversas alertas cuando el nivel de gas es demasiado alto logra brindar una

eficiencia elevada debido a que logra notificar tanto a la persona que puede estar

inhalando el gas, como al dispositivo móvil de los usuarios para poder proceder a

corregir la falla, adicionalmente en caso de que el dispositivo móvil no tuviese internet

esta alerta del mensaje de texto SMS le permite al usuario estar enterado en tiempo

real de las alteraciones que se puedan presentar.

❖ La activación remota del actuador mecánico genera un retraso de hasta 0,75

segundos, esto tomando como base que las pruebas pertinentes se hicieron

conectando el computador de placa reducida a un internet con velocidad de 1 Mega

(el computador de placa reducida es quien recibe la instrucción para activar el

actuador mecánico), con esto se logra identificar que el uso de esta aplicación es

optimo debido a que se genera un buen tiempo de respuesta para corregir la falla.

54

14. BIBLIOGRAFÍA

[a] http://www.imicro.com/pdf/articulos/spi.pdf.

[1] SIVIGILA /vigilancia de intoxicaciones por monóxido de carbono - Subred Integrada

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[10] https://www.itead.cc/sonoff-wifi-wireless-switch.html

[11] https://www.cisco.com/c/dam/global/es_mx/solutions/executive/assets/pdf/internet-of-

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[12]https://www.blynk.cc/

[13] https://vidaembebida.wordpress.com/2017/02/08/protocolo-de-comunicacion-spi/

[14] https://electronilab.co/tienda/arduino-nano-v3-atmega328-5v-cable-usb/

[15] https://www.honeywellanalytics.com/~/media/honeywell-

analytics/documents/spanish/apn069es_parkinggarage_web_4-13-15.pdf?la=en

[16] https://www.murciasalud.es/pagina.php?id=180398&idsec=1573#

[17] http://www.euro.who.int/en/about-us/organization/office-locations/who-european-centre-

for-environment-and-health-eceh,-bonn,-germany

[18] http://www.cccmh.com/ICOerr.htm