SISTEMA PARA LA MEDICIÓN DE GASES DE EFECTO INVERNADERO MEDIANTE LOS PRINCIPIOS DEL INTERNET DE LAS COSAS, ALINEADO AL

CUMPLIMIENTO DE LOS COMPROMISOS DE COLOMBIA ANTE LAS NACIONES UNIDAS.

CESAR LEONARDO VILLATE BARRERA

Director:

Felipe Díaz Sánchez, Ph.D.

Co-director:

Ángela Tatiana Zona Ortiz, PhD.

UNIVERSIDAD SANTO TOMÁS FACULTAD DE INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIONES

MAESTRÍA EN TELECOMUNICACIONES Y REGULACIÓN TIC BOGOTÁ, 2017

A mis padres, Cesar Mario y Gladys Mariela, quienes con su inmenso e incondicional

amor y apoyo me han permitido alcanzar cada una de las metas que me he propuesto. A mis hermanos Mario, Leidy y mis sobrinos que mediante su alegría me han contagiado

el deseo de seguir creciendo como persona y como profesional. A mi novia Ángela que me ha brindado su apoyo y compañía en este proceso de

formación personal y académica.

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AGRADECIMIENTOS

A la Universidad Santo Tomás, a los miembros de la facultad de Ingeniería de Telecomunicaciones, en especial al Centro de Excelencia y Apropiación en Internet de las Cosas (CEA-IoT), y a cada uno de los miembros del equipo quienes brindaron su ayuda y apoyo para la realización de este proyecto.

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TABLA CONTENIDO

ACRÓNIMOS...............................................................................................................................IV

RESUMEN....................................................................................................................................6

1 MARCOGENERALDELPROYECTO........................................................................................9

1.1 OBJETIVOS..........................................................................................................................9

1.2 ALCANCE.............................................................................................................................9

1.3 METODOLOGÍA.................................................................................................................10

2 GASESDEEFECTOINVERNADEROYNORMATIVASMEDIOAMBIENTALES...........................11

2.1 GASESDEEFECTOINVERNADERO.............................................................................................11

2.2 NORMATIVASMEDIOAMBIENTALES..........................................................................................14

2.2.1 NormativasmedioambientalesdecarácterInternacional.......................................15

2.2.2 NormativasmedioambientalesenColombia............................................................19

2.3 ESTRATEGIASNACIONALESDEADAPTACIÓNYMITIGACIÓNENMATERIADECAMBIOCLIMÁTICO........23

3 SISTEMASDEMONITOREOAMBIENTAL.............................................................................26

3.1 SISTEMASDEMONITOREODELACALIDADDELAIRE....................................................................30

3.1.1 Mecanismostradicionales........................................................................................30

3.1.2 SistemasdemonitoreoambientalbajolosprincipiosdelIoT..................................33

4 SISTEMADEMONITOREOAMBIENTALBAJOLOSPRINCIPIOSDELINTERNETDELASCOSAS.

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4.1 DISEÑO...............................................................................................................................45

4.2 IMPLEMENTACIÓNYVALIDACIÓN.............................................................................................46

4.2.1 CapaIoTEndpoints...................................................................................................46

4.2.2 CapaIoTEdgePlatform............................................................................................49

4.2.3 CapaIoTPlatformRepository...................................................................................50

4.2.4 CapaIoTApplication.................................................................................................54

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5 RESULTADOS.....................................................................................................................59

5.1 DATOSOBTENIDOS...............................................................................................................59

6 CONCLUSIONES..................................................................................................................63

ANEXOA.INFORMACIÓNDEREDESLORAWAN.........................................................................65

ANEXOB.ESPECIFICACIONESTÉCNICAS....................................................................................67

ANEXOC.PROGRAMACIÓNDEDEVBOARDPARAELNODODESENSADO................................73

ANEXOD.SCRIPTPYTHONDECLIENTEMQTT............................................................................76

REFERENCIAS.............................................................................................................................79

LISTADEFIGURAS.....................................................................................................................87

LISTADETABLAS.......................................................................................................................89

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ACRÓNIMOS

AILAC Asociación Independiente de Latinoamérica y el Caribe

AWS Del inglés, “Amazon Web Services”. Servicios Web de Amazon.

CENELEC Del inglés, “European Committee for Electrotechnical Standardization”. Comité Europeo para la estandarización electrotécnica.

CH4 Gas Metano

CICC Comisión Intersectorial de Cambio Climático

CO2 Dióxido de Carbono

COP21 XXI Conferencia internacional de las Naciones Unidas para el cambio climático realizada en 2015.

ECDBC Estrategia Colombiana de Desarrollo Bajo en Carbono

ETSI Del inglés, “European Telecommunications Standards Institute”. Instituto Europeo de estándares en Telecomunicaciones.

GEI Gases de Efecto Invernadero

IEC Del inglés, “International Electrotechnical Commission”. Comisión Electrotécnica Internacional.

IEEE Del inglés, “Institute of Electrical and Electronics Engineers.Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos.

IETF Del inglés, “Internet Engineering Task Force”. Grupo de Trabajo de Ingeniería de Internet.

IoT Del inglés, “Internet of Things”. Internet de las cosas.

ISO Del inglés, “International Organization for Standardization”. Organización Internacional para la estandarización

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ITU-T Del inglés “International Telecommunication Union – Telecommunication Standardization Sector. Unión Internacional de Telecomunicaciones- Sector de estandarización de telecomunicaciones.

LTE Del inglés, “Long Term Evolution”. Evolución a Largo Plazo.

LoRaWAN Del inglés, “Long Range Wide Area Network”. Red de área amplia y largo alcance.

LPWAN Del inglés, “Low Power Wide Area Network”. Red de baja potencia y área amplia.

MADS Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible

OMS Organización Mundial de la Salud

PNACC Plan Nacional de Adaptación al Cambio Climático

PNCC Política Nacional de Cambio Climático

RFID Del inglés, “Radio Frequency identification” Identificación por Radio Frecuencia

SNICA Sistema nacional de indicadores de la calidad del aire

SIG Sistemas de Información Geográfica

SINAP Sistema Nacional de Áreas Protegidas

SISCLIMA Sistema Nacional de Cambio Climático

SMA Sistema de Monitoreo Ambiental

SVCA Sistema de Vigilancia de la Calidad del Aire

UNFCC Del inglés, “United Nations Framework Convention on Climate Change”. Convención marco de las Naciones Unidas para el cambio climático.

VANT Vehículo Aéreo No Tripulado

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RESUMEN

El cambio climático es una problemática actual que está asociada a la contaminación ambiental. Esta problemática incluye a futuro un aumento de la temperatura del planeta, posibles inundaciones, sequias y fenómenos naturales. Este trabajo presenta el diseño y la implementación de un prototipo de sistema para la medición de gases de efecto invernadero bajo los principios del Internet de las cosas (IoT). Este sistema tiene como propósito la captura de datos de calidad del aire, su almacenamiento, y publicación en internet. El sistema se realiza tomando como referencia la arquitectura de soluciones de IoT propuesta por Gartner, teniendo como resultado un manejo eficaz de los datos tanto en la capa física como de red, datos y aplicación, dados sus cortos tiempos de respuesta. Adicionalmente, el sistema tiene un costo relativamente bajo, aspecto que posibilita el despliegue de un mayor numero de dispositivos. De esta forma, es posible detectar los niveles de concentración de los gases contaminantes como CO2 y CH4, para hacer un seguimiento que pueda contribuir al cumplimiento del compromiso de Colombia ante las Naciones Unidas, que consiste en lograr una reducción del 20% de emisiones de gases de efecto invernadero para el año 2030.

Palabras clave: Calidad del aire, Internet de las cosas, LoRaWAN, Monitoreo ambiental.

ABSTRACT

Climate change is a real problem that is associated with environmental pollution. This problem includes a future of increasing the temperature of the planet, possible floods, droughts and natural phenomena. This paper presents the design and implementation of a prototype system for the measurement of greenhouse gases under the principles of the Internet of Things (IoT). The objective of this system is to capture air quality data, store it and publish it on the Internet. The system is made taking as reference the architecture of IoT solutions proposed by Gartner, resulting in an adequate handling of the data in both the physical layer and red, data and application, given short response times. Additionally, the system has a relatively low cost, an aspect that enables the deployment of a greater number of devices. In this way, it is possible to detect the levels of concentration of polluting gases such as CO2 and CH4, to make a follow-up that can contribute to the fulfillment of Colombia's commitment to the United Nations, which consists of achieving a 20% reduction in emissions of greenhouse gases for the year 2030.

Keywords: Air Quality, Internet of Things, LoRaWAN, Environmental Monitoring

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INTRODUCCIÓN

Desde finales del siglo XX, el medio ambiente ha sido uno de los temas con más importancia en la sociedad. A partir del permanente crecimiento poblacional, la migración urbana y la globalización, se ha visto la importancia de promover un desarrollo sostenible y un mejor manejo y optimización de los recursos naturales presentes en el mundo. La sostenibilidad y el medio ambiente son fundamentales para el paisaje urbano ya que las ciudades representan el 75% del consumo de energía y el 80% de las emisiones de CO2 a nivel mundial [1]. Las características principales en este incluyen infraestructura y gobierno, energía y cambio climático, contaminación, residuos, aspectos sociales, económicos y de salud.

Según fuentes como la Organización Mundial de la Salud (OMS)[2] y la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (UNFCCC)[3], las emisiones mundiales de gases de efecto invernadero causarían un aumento de hasta 5ºC durante el presente siglo en la temperatura promedio de Colombia, generando un escenario de consecuencias irreversibles. Actualmente, Colombia es responsable de la generación de 224 millones de toneladas de CO2e, lo que equivale al 0.46% de las emisiones de gases de efecto invernadero a nivel global. Según datos del ”Inventario de gases de efecto invernadero”, elaborado por el Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales de Colombia IDEAM en 2010, de seguir la tendencia actual, se estima que para 2030 las emisiones podrían aumentar cerca de 50%. A pesar de que las emisiones en Colombia son relativamente bajas en comparación con otros países, las acumuladas entre 1990 y 2012 son suficientes para situarlo entre los 40 países con mayor responsabilidad histórica en la generación de emisiones de gases de efecto invernadero [4]. A partir de esto, Colombia como miembro de la Convención Marco de las Naciones Unidas para el Cambio Climatico (CMNUCC), se comprometió en París en 2015 a reducir sus emisiones de gases efecto invernadero en un 20% en relación a las proyectadas a 2030. Esta situación ha acentuado la necesidad de desarrollar estrategias que permitan mitigar la contaminación ambiental.

En este contexto viendo el notable crecimiento de las tecnologías de la información y las comunicaciones, pueden realizarse acciones preventivas y de adaptación que permitan mitigar los riesgos que tiene el cambio climático. Una de las nuevas tendencias que existe es el Internet de las cosas (IoT), que en este sentido puede desempeñar un papel valioso para el monitoreo de variables ambientales importantes como los gases de efecto invernadero, brindando a la población y a los entes gubernamentales una información acertada de los niveles de contaminación, lo cual permite el seguimiento y la toma de medidas para lograr disminuir los efectos del calentamiento global.

Gracias al paradigma tecnológico del IoT, que involucra el manejo de los datos desde la capa de dispositivos hasta la de aplicaciones haciendo una conexión directa con internet,

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es posible tener soluciones mucho más económicas e igualmente precisas que permitan medir la cantidad de contaminantes en el ambiente. Adicionalmente, IoT permite el almacenamiento, procesamiento y publicación de información en internet en tiempo real, mientras que en los sistemas tradicionales de monitoreo ambiental presentes en la actualidad realizan estos procesos de forma local.

Este trabajo presenta un sistema para la medición de los gases de efecto invernadero CO2 y CH4, y condiciones de temperatura y humedad ambiente, bajo los principios del IoT. Este sistema utiliza una red de área amplia y baja potencia LoRaWAN, para la transmisión de datos desde el dispositivo de sensado hasta internet, realizando la medición y envío de información de las variables ambientales en tiempo real, marcando así, una diferencia con las pocas estaciones de monitoreo de gases que funcionan en algunas ciudades del país.

Dadas las características del proyecto, el realizar un despliegue de nodos de monitoreo a lo largo de una zona geográfica determinada, se pretende que pueda servir como herramienta a entidades del orden nacional como el Ministerio de ambiente y desarrollo sostenible, y locales como las secretarías de ambiente departamental o municipal, para alimentar sus sistemas de información correspondientes a los niveles de concentración de gases contaminantes. De este modo, las entidades podrán tomar las medidas de adaptación o mitigación necesarias, en búsqueda del cumplimiento de los compromisos de Colombia ante las Naciones Unidas para el año 2030.

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1 MARCO GENERAL DEL PROYECTO

El proyecto aquí presentado se caracteriza por su compromiso ambiental, dada la situación del mundo en la actualidad y las predicciones realizadas en materia de cambio climático. Por ello, mediante el uso de nuevas tecnologías y redes para el IoT se pretende dar una solución para el monitoreo de variables ambientales en tiempo real, que permita a las entidades estatales tener conocimiento de los niveles de concentración de los gases contaminantes en el entorno y poder tomar las medidas pertinentes en este aspecto.

Los objetivos, alcance y metodología del proyecto se mencionan a continuación.

1.1 OBJETIVOS

Realizar el diseño de un sistema para la medición de gases de efecto invernadero mediante los principios del Internet de las cosas (IoT), alineado al cumplimiento de los compromisos de Colombia ante las Naciones Unidas para el cambio climático.

• Realizar un estado del arte de los sistemas de monitoreo de la calidad del aire e identificar los principales gases de efecto invernadero.

• Diseñar un sistema para la medición de los principales gases de efecto invernadero.

• Implementar y validar el prototipo del sistema para la medición de los principales gases de efecto invernadero.

1.2 ALCANCE

El sistema de monitoreo ambiental será diseñado bajo los principios del Internet de las cosas, para medir los niveles de contaminación de los principales gases de efecto invernadero como lo son: dióxido de Carbono (CO2) y Metano (CH4). Adicionalmente se incluye la medición de temperatura y humedad. Este sistema será implementado mediante un único prototipo en el cual se verifica la detección de las variables ambientales mencionadas anteriormente.

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1.3 METODOLOGÍA

La metodología que se tuvo en cuenta para la realización del proyecto se presenta en la Figura 1. Los bloques sombreados con color azul se realizan en este proyecto, y se da la posibilidad para un futuro independiente del proyecto la realización del proceso señalado en color naranja.

Esta metodología se realiza teniendo en cuenta los objetivos planteados, de tal manera que se tenga cumplimiento a cada uno de ellos.

Figura 1. Esquema metodológico del proyecto.

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2 GASES DE EFECTO INVERNADERO Y NORMATIVAS MEDIOAMBIENTALES

El cambio climático es el mas grande desafío ambiental que ha enfrentado el mundo. La gran cantidad de emisiones de gases contaminantes que se tienen a diario por parte de las industrias, además de los usos inadecuados de recursos naturales, están contribuyendo a la modificación del comportamiento climático alrededor del mundo. Como consecuencia de esto, se presentan fenómenos tales como inundaciones, sequías, y todo tipo de desastres que afectan a la población y por lo tanto reducen su calidad de vida[5]. Este tipo de efectos son atribuidos a las acciones irresponsables que tiene la sociedad, entre las que se encuentran la tala indiscriminada de árboles, el uso ineficiente del agua potable y la explotación exagerada de las tierras. En este sentido se han formulado normativas de carácter tanto local[6] como internacional, que han permitido regular los comportamientos de las personas en la sociedad actual, limitando los niveles máximos de emisión de gases contaminantes, apuntando a un uso y cuidado adecuado de los recursos naturales.

El IoT contempla un campo de acción bastante amplio, en donde se pueden enmarcar soluciones en diferentes aspectos, particularmente, los de carácter ambiental. Dentro de éste, se han desarrollado aplicaciones como solución para el manejo de residuos, contaminación de agua y aire, siendo estos los mas vulnerables y quienes mayor daño pueden causar al planeta.

Sin embargo, dentro de la problemática de contaminación de aire el aspecto que mayor impacto tiene en el ambiente, es la emisión de gases de efecto invernadero, los cuales son producidos por las grandes industrias y demás sectores en la mayoría de los países del mundo. Estos gases se alojan en la atmosfera de forma que impiden la salida de los rayos del sol reflejados en la tierra, lo que tiene como resultado el aumento de la temperatura terrestre.

2.1 GASES DE EFECTO INVERNADERO

Los Gases de Efecto Invernadero (GEI) son aquellos con la capacidad de mantenerse estáticos en la atmosfera, de tal modo que no permiten la salida de los rayos del sol que se reflejan en la tierra. De esta manera retienen esta energía en la tierra haciendo aumentar la temperatura del planeta. Estos gases tienen un efecto perjudicial para los habitantes del planeta ya que su aumento perjudica diferentes ecosistemas y facilita que se presenten desastres y fenómenos naturales como terremotos, inundaciones, entre otros[5]. Cada día el tratamiento de estos gases se convierte en un tema prioritario para la

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mayoría de los países en el mundo, debido a las implicaciones que esto puede tener en un futuro no muy lejano.

Los principales gases de efecto invernadero pueden clasificarse en directos e indirectos. Los GEI directos, son aquellos que desde su emisión contribuyen al efecto invernadero alojándose directamente en la atmosfera, en cambio, los indirectos son gases contaminantes, como el monóxido de carbono y compuestos orgánicos distintos al Metano, que a medida que se aproximan a la atmosfera van transformándose en GEI directos[7]. Aquellos que tienen un gran impacto en el medio ambiente y aportan de forma importante en el cambio climático son los directos, representados principalmente por: Vapor de agua (H2O), Dióxido de Carbono (CO2), Metano (CH4) y Oxido Nitroso (N2O), según lo define el Protocolo de Kioto[8].

Según el inventario nacional de gases de efecto invernadero[9], hasta el 2004 Colombia presentaba emisiones de GEI distribuidas tal como se observa en la Figura 2.

Figura 2. Participación de los principales GEI en Colombia desde el año 1990 a 2004

Fuente: [9]

Además de los gases directos, se indica la presencia de gases como los hidrofluorocarburos (HFC), perfluorocarbonos (PFC) y el hexafluoruro de azufre, quienes impactan en el ambiente en una mínima proporción a comparación del CO2 y CH4.

Dióxido de Carbono (CO2)

Es un gas incoloro y compuesto por dos átomos de oxígeno y uno de carbono, se produce principalmente cuando la materia orgánica es quemada o a causa de su descomposición biológica[10]. Es uno de los gases con mayor influencia en el ambiente en materia de cambio climático, debido al aumento de la quema de combustibles fósiles como el petróleo y el carbón.

Este gas tiene presencia natural en la atmosfera y es necesario para las plantas ya que les permite realizar sus funciones vitales. En el planeta existen depósitos terrestres como los bosques y los océanos, quienes absorben el CO2, pero debido al desarrollo industrial

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de las sociedades y la constante tala de árboles, estos depósitos no alcanzan a absorber la totalidad del gas producido por el hombre, teniendo este que alojarse cada vez con mayor proporción en la atmosfera terrestre[10].

La forma en la que las plantas lo absorben es mediante el proceso de fotosíntesis, siendo este importante para conservar su vida. El CO2 no tiene efectos tóxicos para el ser humano, pero contribuye al efecto invernadero al hacer presencia en la atmosfera y permitir el ingreso de rayos del sol y conservar la energía en forma de calor dentro de la tierra. Tiene presencia en la troposfera, con un componente aproximadamente de 3500 partes por millón (PPM).

Metano (CH4)

Es un hidrocarburo incoloro con alta influencia en el efecto invernadero. Se produce en un alto porcentaje por actividades humanas como la agrícola y por el proceso de descomposición de la materia orgánica, seguido por la producción de gas natural y la explotación de carbón mineral. Se estima también, que el proceso de fermentación intestinal de los rumiantes produce hasta un 37% del Metano presente en la atmosfera[10].

El Metano después del dióxido de Carbono es el gas de efecto invernadero más importante, dado a que ha llegado a alojar en la atmosfera hasta 60 millones de toneladas por año[11].

Óxido Nitroso (N2O)

Es un gas incoloro que no tiene efectos tóxicos y hace parte de la atmosfera de forma natural aproximadamente con una concentración de 0.27 PPM y se estima que contribuye en un 6% al efecto invernadero[7]. Es producido por acciones antropógenas y por procesos naturales del suelo en el que intervienen bacterias anaerobias, además del pastoreo y las generadas por el uso de fertilizantes. Se estima que su concentración en la atmosfera tiene un aumento del 0.25% cada año

Vapor de agua (H2O)

Es un gas que se produce por la evaporación o ebullición del agua y es un componente natural de la atmosfera terrestre. Tiene alta presencia en zonas marítimas y se evidencia en el ambiente en forma de nubes. Este gas tiene gran importancia debido a que puede actuar de forma equilibrada al concentrar el calor cuando se encuentra lejano a la superficie terrestre y refrigerar el ambiente al estar cerca de la superficie y reflejar los rayos de los incidentes provenientes del sol.

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2.2 NORMATIVAS MEDIOAMBIENTALES

Alrededor del mundo se han adelantado estrategias para mitigar los efectos medioambientales negativos producidos por los ciudadanos y la industria relativos al cambio climático y las emisiones de gases contaminantes. En consecuencia, se han generado acuerdos internacionales y normativas locales a nivel de cada país enfocados en la preservación de los recursos naturales y la reducción de emisiones de GEI. Estos esfuerzos se han prolongado a lo largo del tiempo, y algunas disposiciones internacionales se han adoptado en diferentes países, en particular, la situación colombiana en materia normativa se resume en la Figura 3.

Figura 3. Línea del tiempo de las normativas medioambientales a nivel internacional y Colombia.

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Históricamente, Colombia se ha destacado por su liderazgo en las negociaciones de cambio climático, pues se ha involucrado en situaciones extremas, brindado nuevas ideas para solucionar las problemáticas, lo que le ha permitido establecer alianzas y amistades en todo el mundo. Como muestra del compromiso nacional e internacional en materia de cambio climático, se han tomado medidas que han permitido contribuir en este ámbito, siendo las más importantes las que se detallan a continuación.

2.2.1 Normativas medioambientales de carácter Internacional.

A nivel internacional se resaltan los siguientes referentes a nivel mundial:

• Convenio de Viena

Se acordó en Viena en el año 1985, para la protección de la capa de Ozono. Se firmó por 21 países inicialmente, quienes acordaron investigar y tomar medidas preventivas para disminuir la producción de emisiones de sustancias agotadoras de la capa de ozono. Siendo esta la primera iniciativa global para reparar los daños provocados por la sociedad a la capa de Ozono[12].

• Protocolo de Montreal

En el año 1987 considerando como altamente relevante la reducción de emisiones de sustancias agotadoras de la capa de Ozono, se firma el protocolo de Montreal[13], por una serie de países comprometidos con el medio ambiente. En este protocolo, las partes se comprometieron a reducir sus emisiones de sustancias perjudiciales para el Ozono en un determinado porcentaje, con base en el comportamiento de cada país en el último año, todo esto con el fin de eliminar progresivamente este tipo de sustancias. Este compromiso habría de cumplirse para los doce meses siguientes, mediante estrategias y planes de mitigación, y así sucesivamente durante varios años.

A su vez, el protocolo contempló la situación de algunos miembros en vía de desarrollo para los cuales se tuvieron condiciones especiales que no detuvieran su crecimiento económico.

• Convención marco de las Naciones Unidas para el cambio climático (CMNUCC)

Desde el año 1992 los países se han adherido al tratado internacional CMNUCC, cuya finalidad pretende evaluar las posibles acciones que pueden tomarse para hacerle frente al cambio climático y asimismo al aumento de la temperatura del planeta. Su objetivo final es: “Lograr, de conformidad con las disposiciones pertinentes de la Convención, la estabilización de las concentraciones de gases de efecto invernadero en la atmósfera a un nivel que impida interferencias antropógenas peligrosas en el sistema climático”[14].

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Dicho nivel se contempla con un plazo prudente, de manera que los ecosistemas de producción de alimentos y energía no se vean amenazados por las medidas adoptadas. Adicionalmente, la convención comprende una serie de principios y compromisos que deben adoptar cada una de las partes miembro, entre otras disposiciones para alcanzar su objetivo. Igualmente proporciona una guía para el cuidado del medio ambiente y cada uno de sus componentes, a fin de beneficiar de la mejor manera posible los sectores afectados por las actividades relacionadas con la acción del ser humano. En el año 1995 los miembros de la Convención reconocieron falencias en cuanto a los mecanismos y medidas de reducción de los gases de efecto invernadero, lo que originó la realización de negociaciones en este aspecto, resultando finalmente con el acogimiento del protocolo de Kioto en 1997. Administrativamente la convención tiene como máximo órgano para la toma de decisiones a la Conferencia de las Partes (COP), la cual está conformada por los países que han ratificado el tratado, quienes están en la capacidad de tomar medidas consensuadas para la implementación del tratado[15]. Los países miembro acordaron presentar su contribución de forma independiente para lograr el cumplimiento de la meta que consiste en evitar el aumento de la temperatura promedio global por encima de los 2°C. Cada una de estas fue presentada en la COP21 realizada en París en diciembre de 2015[15] y ratificada por mas del 55% de sus miembros para su inicio en vigencia en Noviembre de 2016. Sin embargo, Estados Unidos como miembro de la COP, siendo uno de los más grandes países y por lo tanto de los mayores emisores de sustancias contaminantes, en Junio de 2017 ha decidido retirarse para no dar cumplimiento al tratado de París al considerarlo como injusto según el presidente Donald Trump. Compromisos de Colombia ante las Naciones Unidas.

Como miembro de la Asociación Independiente de Latinoamérica y el Caribe (AILAC), Colombia es parte activa de negociaciones internacionales orientadas al cambio climático. Por tanto ha tenido participación en el acuerdo de París que tuvo su inicio en 2016.

Colombia se comprometió a reducir el 20% de sus emisiones de gases de efecto invernadero para 2030 a partir de un escenario inercial. Esto quiere decir que Colombia tomó como punto de referencia el inventario de emisiones nacionales de 2010[9] y proyectó cómo crecerían sus emisiones si no se tomaran medidas de mitigación. Con base en esa proyección, creó un escenario para 2030.

En consecuencia, la contribución de Colombia ha sido orientada hacia los siguientes objetivos:

1. Reducir las emisiones de gases de efecto invernadero del país 20% con relación a las emisiones proyectadas a 2030.

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2. Aumentar la resiliencia y la capacidad adaptativa del país, a través de 10 acciones sectoriales y territoriales priorizadas a 2030.

3. Fomentar el intercambio de conocimiento, tecnología y financiamiento para acelerar las contribuciones planteadas en materia de adaptación y mitigación de gases de efecto invernadero.

Colombia también va a tomar medidas para contribuir a diferentes acuerdos y convenios que buscan proteger el medio ambiente y brindar soluciones para mitigar los efectos del cambio climático. Sus esfuerzos, según el Ministerio de Ambiente los va a enfocar principalmente en[15]:

1. Sinergias entre adaptación y mitigación.

2. Adaptación basada en socio-ecosistemas.

3. Articulación de la adaptación al cambio climático y gestión de riesgos, incluyendo el diseño e implementación de un sistema de alerta temprana.

4. Adaptación de infraestructura básica y sectores de la economía.

5. Incorporación de consideraciones de adaptación y resiliencia en la planificación sectorial, territorial y del desarrollo.

6. Promoción de la educación en cambio climático para generación de cambios de comportamiento.

7. Consolidación de territorios de paz con consideraciones de cambio climático.

Con el fin de conformar un país resiliente a los efectos del cambio climático, Colombia definió unas acciones sectoriales que le permitirán alcanzar su contribución para el año 2030[15], las cuales son las siguientes:

1. 100% DEL TERRITORIO NACIONAL cubierto con planes de cambio climático formulados y en implementación.

2. UN SISTEMA NACIONAL DE INDICADORES de adaptación que permita monitorear y evaluar la implementación de medidas de adaptación.

3. LAS CUENCAS PRIORITARIAS DEL PAÍS 7 contarán con instrumentos de manejo del recurso hídrico con consideraciones de variabilidad y cambio climático.

4. SEIS (6) SECTORES PRIORITARIOS de la economía (transporte; energía; agricultura; vivienda; salud; comercio, turismo e industria) incluirán

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consideraciones de cambio climático en sus instrumentos de planificación y estarán implementando acciones de adaptación innovadoras.

5. FORTALECIMIENTO DE LA ESTRATEGIA de sensibilización, formación y educación a públicos sobre cambio climático, enfocada en los diferentes actores de la sociedad colombiana.

6. DELIMITACIÓN Y PROTECCIÓN de los 36 complejos de páramos que tiene Colombia (aproximadamente, 3 millones de hectáreas).

7. AUMENTO EN MÁS DE 2.5 millones de hectáreas en cobertura de nuevas áreas protegidas en el Sistema Nacional de Áreas Protegidas (SINAP), en coordinación con actores locales y regionales.

8. INCLUSIÓN DE CONSIDERACIONES de cambio climático en Proyectos de Interés Nacional y Estratégicos (PINES).

9. 10 GREMIOS DEL SECTOR AGRÍCOLA como el arrocero, cafetero, ganadero y silvopastoril, con capacidades de adaptarse adecuadamente al cambio y variabilidad climática.

10. 15 DEPARTAMENTOS DEL PAÍS participando en las mesas técnicas agroclimáticas, articuladas con la Mesa Nacional, y 1 millón de productores recibiendo información agroclimática para facilitar la toma de decisiones en actividades agropecuarias.

• Protocolo de Kioto

Este protocolo ha sido tratado desde el año 1995 cuando diferentes países iniciaron una serie de negociaciones para fortalecer una respuesta ante los efectos del cambio climático en el mundo. En 1997 se adoptó oficialmente obligando a los países desarrollados a cumplir con metas relacionadas con la reducción de emisiones de gases contaminantes. Desde ese momento ha tenido dos periodos de compromiso importantes, el primero desde 2008 hasta 2012 en el que se estableció la meta de reducción de 5% de los GEI en comparación con las de 1990, y el segundo desde 2013 hasta el año 2020, en el que se establecen compromisos diferenciados para cada uno de los miembros, según sus capacidades. En la actualidad hay 192 partes en este protocolo[16].

Tiene como principio, el cumplimiento de los objetivos de la CMNUCC, reforzando los compromisos propios de cada país miembro de la convención, mediante obligaciones individuales que lo vinculan a la reducción de emisiones de gases contaminantes.

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Este protocolo ha sido considerado como una de las primeras y más importantes iniciativas para la reducción y estabilización de los gases de efecto invernadero, teniendo gran influencia en los gobiernos para generar políticas que promueven la importancia del medio ambiente y concientizan a las empresas a tener en cuenta el medio ambiente antes de tomar decisiones que lo impactan negativamente.

Adicionalmente, del protocolo surge un instrumento innovador para reducir las emisiones de GEI, denominado Mecanismo de Desarrollo Limpio (MDL). Su principal objetivo es permitir a los países industrializados comprometidos con el medio ambiente, la implementación de proyectos para la reducción de gases contaminantes en países en vía de desarrollo[17]. Además, las reducciones ocasionadas por estos proyectos, contribuyen para alcanzar las metas de reducción de emisiones propuestas por los países desarrollados.

2.2.2 Normativas medioambientales en Colombia

Colombia, desde el inicio de las negociaciones y tratados referentes al enfrentamiento al cambio climático a nivel mundial, ha estado al tanto para tomar medidas que permitan contribuir con la mitigación y reducción de los GEI, que son los responsables en gran proporción del cambio de temperatura de la tierra. A raíz de esto, ha adoptado y propuesto una serie de normas a través de sus autoridades ambientales como el Ministerio de Ambiente, las gobernaciones departamentales y las alcaldías municipales, cuya relación se ilustra en la Figura 4.

Figura 4. Autoridades ambientales en relación con la calidad y el control de la contaminación del

aire en Colombia.

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Las normas más importantes que se han tomado en relación con esta temática se empezaron desde el año 1992 y han sido tema de vital importancia hasta la actualidad. Dentro de las más importantes se encuentran las siguientes:

• Ley 29 de 1992

Esta Ley aprueba el protocolo de Montreal referente a las sustancias agotadoras de la capa de Ozono suscrito en el año 1987[13][18], con algunas modificaciones y enmiendas realizadas en Londres en 1990 y en Nairobi en el año 1991. Allí, los países miembros adoptan un conjunto de compromisos para reducir la emisiones de sustancias que afectan en gran proporción a la capa de ozono.

• Ley 164 de 1994

La presente Ley aprueba en Colombia el tratado establecido mediante la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (CMNUCC), hecha en Mayo de 1992 [19], donde se tratan temas relacionados con el medio ambiente y las medidas y recomendaciones necesarias para contribuir a su mejoramiento, tal como se aclara en 2.2.1.

• Ley 629 de 2000

Aprueba el Protocolo de Kioto de la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático, realizado en Kioto en el año 1997 [20], donde se adoptan las medidas para la reducción de las emisiones de gases contaminantes, y se identifican los principales causantes del cambio climático.

• Resolución 2733 y 2734 de 2010

Teniendo como base la Ley 164 de 1994 y la Ley 629 de 2000 referentes a la aprobación de la CMNUCC y el Protocolo de Kioto respectivamente, se establece la resolución 2733 de 2010 por la cual se: “adoptan los requisitos y evidencias de contribución al desarrollo sostenible del país, se establece el procedimiento para la aprobación nacional de programas de actividades (PoA- por sus siglas en inglés) bajo el Mecanismo de Desarrollo Limpio (MDL) y se reglamenta la autorización de las entidades coordinadoras”[21], lo que regula y designa responsables del desarrollo e implementación de programas de actividades relacionados con el cuidado del medio ambiente en el país, alineadas con el MDL, y establece unos procedimientos y requisitos mínimos para su correspondiente aprobación.

De igual manera se establece la Resolución 2734 de 2010, en la que se regulan los proyectos de reducción de GEI en Colombia, que estén enfocados bajo el MDL [22]. A

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estos proyectos se asignan responsables de su aprobación bajo unos determinados requisitos y condiciones así como en la resolución 2733 de 2010.

• Resolución 0610 de 2010

Establece la Norma de Calidad del aire y modifica la resolución 601 de 2006[6]. En esta resolución se modifican conceptos clave en lo referente a la calidad del aire, y se definen los niveles máximos permisibles para contaminantes criterio (i.e. los contaminantes perjudiciales para la salud de los seres humanos).

El particular el Articulo 2, establece los niveles máximos mencionados anteriormente, así:

Figura 5. Niveles máximos permisibles para contaminantes criterio[23].

De igual manera el artículo 6 modifica el correspondiente a la declaración de los niveles de Prevención, Alerta y Emergencia por Contaminación del Aire, siendo este un factor de vital importancia para la salud de las personas. Con base a esto se establece lo siguiente:

22

Figura 6. Concentración y tiempo de exposición de los contaminantes para los niveles de

Prevención, Alerta y emergencia[23].

Adicionalmente, se realizan modificaciones relacionadas con los procedimientos de medición de la calidad del aire y los entes responsables de sus correspondientes lineamientos.

Debido a que los gases de efecto invernadero cuestión de estudio como CO2 Y CH4, no tienen implicaciones a la salud de las personas ya que su presencia se eleva a la atmosfera, no hay referencias de normativas Colombianas que establezcan niveles máximos de este tipo de contaminantes no criterio.

• Decreto 1076 de 2015

Establece el Decreto Único reglamentario del sector Ambiente y desarrollo Sostenible, en donde se compilan las normas reglamentarias preexistentes en el sector. Dentro del mismo, en el título 5, capitulo1 se presenta el reglamento de protección y control de la calidad del aire, donde se establecen una serie de disposiciones y normas que apuntan a la protección y el control ambiental teniendo un enfoque en emisiones de gases contaminantes[24], específicamente desde la sección 1 hasta la sección 7.

• Política nacional de cambio climático 2016 (PNCC)

A nivel nacional se propone una política cuyo objetivo principal es promover una gestión del cambio climático que permita mitigar los efectos propios de este fenómeno y además facilite alcanzar las metas que tiene Colombia en este sentido tanto a nivel nacional como internacional [25]. Con este fin, en la política se establecen estrategias territoriales y sus correspondientes lineamientos para mejorar los criterios de toma de decisiones en una determinada región, en lo referente a acciones de adaptación y mitigación de GEI.

23

• Decreto 298 del 24 de febrero de 2016

Establece el sistema Nacional de Cambio Climático (SISCLIMA), cuyo objetivo pretende lo siguiente:

“Coordinar, articular, formular, hacer seguimiento y evaluar las políticas, normas, estrategias, planes, programas, proyectos, acciones y medidas en materia de adaptación al cambio climático y de mitigación de gases efecto invernadero, cuyo carácter intersectorial y transversal implica la necesaria participación y corresponsabilidad de las entidades públicas del orden nacional, departamental, municipal o distrital, así como de entidades privadas y entidades sin ánimo de lucro”[26].

Para lograrlo, el SISCLIMA está conformado por entidades del estado y entidades sin ánimo de lucro, por medio de las cuales se realiza la gestión de mecanismos y medidas que promuevan el desarrollo del país teniendo como principio la reducción de GEI y demás contaminantes que contribuyen al cambio climático.

Adicionalmente se crea la Comisión Intersectorial de Cambio Climático (CICC), que tiene como fin el establecimiento de políticas, acciones y lineamientos que apunten al cumplimiento de los compromisos presentados por Colombia ante las Naciones Unidas en materia de cambio climático.

2.3 ESTRATEGIAS NACIONALES DE ADAPTACIÓN Y MITIGACIÓN EN MATERIA DE CAMBIO CLIMÁTICO

A nivel nacional, el estado Colombiano ha resaltado la importancia que tiene el tomar medidas para contrarrestar la emisión no controlada de GEI y demás gases contaminantes, ya que sus efectos son altamente perjudiciales tanto para las personas como para el planeta en materia de cambio climático. A raíz de esto, ha planteado una serie de planes y estrategias que van a permitir al país tanto reducir sus niveles de contaminación como facilitar la adaptación a los fenómenos ambientales que actualmente se presentan a nivel mundial.

El documento del Consejo Nacional de Política Económica y Social (CONPES) 3700 de 2011[27] referente a la articulación de políticas y acciones en materia de cambio climático, propone un marco de coordinación para la implementación de planes de acción en este ámbito, tales como:

• Estrategia Colombiana de Desarrollo Bajo en Carbono (ECDBC)

Es un programa liderado por el Ministerio de Ambiente y Desarrollo Sostenible (MADS), que busca separar el crecimiento económico del país con el aumento de las emisiones de GEI. Tiene como objetivo identificar y desarrollar planes de acción que permitan frenar la

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emisión de GEI causada por el crecimiento de las industrias. Además crear y promover herramientas de control como un sistema de monitoreo y reporte[28].

De forma más específica el objetivo de la estrategia contempla el desarrollo de planes de acción enfocados a la mitigación de GEI, dirigidos a cada uno de los sectores productivos del país. Adicionalmente se establecen metas de reducción acordes a las capacidades y condiciones de cada uno de ellos, siguiendo las normativas nacionales y estándares internacionales[29].

Particularmente, se plantea la generación de mecanismos de monitoreo y reporte de la información correspondiente a niveles de contaminación de GEI, que permitan tener un seguimiento a las actividades de mejora en mitigación y posibiliten la toma de decisiones al respecto.

• Plan Nacional de Adaptación al Cambio Climático (PNACC)

Se desarrolla con el objetivo final de reducir los riesgos y el impacto socio-económico y ecosistémico asociado al cambio climático en Colombia[30]. Éste además pretende que el país tenga un crecimiento en su capacidad de respuesta ante las amenazas y fenómenos naturales que vienen implícitos al cambio climático.

Este plan se realiza conociendo la vulnerabilidad que tiene Colombia al estar ubicado geográficamente en una zona de alto riesgo debido a la biodiversidad que presenta, ya que el aumento en la temperatura perjudicaría significativamente los ecosistemas nacionales. De forma adicional, se presentan datos del impacto de los fenómenos ambientales en los años 2010 y 2011 tomados por Comisión Económica para América Latina (CEPAL) y el Banco Interamericano de Desarrollo (BID) donde se observan pérdidas humanas, económicas y ambientales de gran magnitud, ya que hubo pérdidas por 11,2 billones de pesos y se vieron afectadas alrededor de 3,2 millones de personas[31].

• Estrategia Nacional de reducción de emisiones por deforestación y degradación de

bosques. RED++

Es un mecanismo adoptado bajo la Ley 164 de 1994 que pretende reducir las emisiones de GEI que se producen a partir de la deforestación y degradación de los bosques del planeta[32]. Su principio se basa en la conservación y cuidado de los bosques presentes en el territorio nacional, y cada una de las poblaciones que dependen de ellos o hacen parte de ecosistemas con gran parte boscosa.

Cada una de las acciones que se realizan bajo este mecanismo apuntan al mismo objetivo de preservación de los recursos naturales, en especial a las zonas con grandes cantidades de árboles, como lo es la Amazonía Colombiana, teniendo en cuenta que el

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país cuenta con aproximadamente 59 millones de hectáreas de bosques y selvas, las cuales contribuyen para regular el clima y reducen los efectos del cambio climático.

En este sentido, a finales del año 2015 se lanzó la iniciativa “Colombia Sostenible”, que busca recolectar fondos y canalizarlos para invertir en zonas que han sido afectadas por la violencia en los últimos años, y a que a su vez ayudarán en el compromiso nacional en contra del cambio climático.

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3 SISTEMAS DE MONITOREO AMBIENTAL

En la actualidad existen diversos mecanismos para el monitoreo de variables ambientales. Estos pueden clasificarse en dos grandes grupos: mecanismos tradicionales y basados en herramientas tecnológicas. Los mecanismos tradicionales, son aquellos que requieren de intervención humana para su funcionamiento y operación, mientras que los mecanismos basados en herramientas tecnológicas realizan los procesos de forma automática, basados en sistemas de información que les permiten gestionar su funcionamiento y almacenar los registros de cada una de las operaciones realizadas. Para llegar a entender claramente este tipo de mecanismos, es necesario tener en cuenta las siguientes precisiones.

Factores ambientales abordados con soluciones tecnológicas

En materia de cambio climático existen problemáticas ambientales importantes que se han tratado de solucionar mediante invenciones tecnológicas que facilitan las actividades de prevención y mitigación. Gran mayoría de las soluciones planteadas en este sentido, tiene en común un principio de funcionamiento basado en redes de sensores inalámbricos (WSN)1, que consisten en un cierto numero de dispositivos inalámbricos distribuidos, que utilizan sensores para el monitoreo de condiciones ambientales y por medio de un Gateway obtienen conectividad[33].

La aplicación en la que se utilice WSN emplea un protocolo inalámbrico de comunicación diferente según sus propios requerimientos. Entre los más utilizados en la actualidad se encuentran IEEE 802.11 e IEEE 802.15.4, debido a que trabajan en la banda no licenciada de 2.4 GHz y a su facilidad para el manejo y transmisión de información. Este tipo de redes incluyen nodos sensores, nodos actuadores, Gateways y clientes, los cuales son desplegados en un área determinada con el fin de monitorear algunos factores del entorno según sea necesario para la aplicación. Su funcionamiento se basa en la recolección de información por medio de los nodos sensores, los cuales, dependiendo de la topología, la envían a otros nodos, con el fin de hacer llegar toda aquella información al Gateway que es quien se encarga de hacer la respectiva comunicación con Internet. Este principio se evidencia en la Figura 7.

1 Del inglés, Wireless Sensor Networks (WSN).

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Figura 7. Arquitectura de una red de sensores inalámbricos WSN Fuente: [34]

Las redes WSN se han utilizado en diversas aplicaciones que tratan temas medio ambientales tales como:

• Sistemas inteligentes de manejo de agua

Se han realizado estudios que muestran la importancia del agua y la situación que está teniendo a nivel mundial este líquido. Se estima que 783 millones de personas no tienen un acceso al agua potable y de 6 a 8 millones fallecen a causa de enfermedades e inconvenientes directamente relacionados con el agua. El uso de nuevas tecnologías en este ámbito es un aspecto importante, dada la capacidad que tienen, para contribuir en el mejoramiento de los mecanismos de distribución, gestión y asignación de agua. [1], [35].

En el mundo el agua se encuentra en abundancia. Sin embargo, alrededor del 1% está disponible para el consumo humano[36]. Además de esto y debido al mal uso del recurso hídrico se prevé una crisis inminente, según fuentes como las Naciones Unidas[37]. Por estas razones se presenta una intranquilidad por parte de los ciudadanos del mundo, dadas las debilidades que se tienen en los sistemas de gestión de calidad, tratamiento y manejo adecuado del agua, que provocan principalmente la contaminación y el desperdicio de este recurso debido a las falencias del transporte y suministro, problemáticas que generan el mayor daño e inquietan este sector [1].

A raíz de esto se han creado sistemas inteligentes de gestión del agua que utilizan nuevas tecnologías para el desarrollo de soluciones que facilitan el acceso al agua potable. Incluyendo aspectos tales como:

• Tuberías inteligentes y redes de sensores.

• Medición Inteligente.

• Módems de Comunicación.

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• Sistemas de Información Geográfica (SIG).

• Computación en la nube.

• Control de Supervisión y Administración de Datos (SCADA).

• Modelos, herramientas de optimización, y apoyo a las decisiones.

• Comunicación basada en web y herramientas de sistemas de información..

Teniendo en cuenta que el agua es parte fundamental de la vida, se ha visto la necesidad de crear proyectos que permitan a la sociedad utilizar la tecnología para controlar y monitorear este recurso. En la universidad de Putra en Malasia se propuso un sistema[38] que mide el nivel de agua de algún contenedor o recurso natural en tiempo real. El prototipo tiene como fin: monitorear el nivel del agua para alertar a los habitantes y autoridades de las zonas propensas a desastres naturales. Para esto, los autores utilizan un sensor de nivel de agua, que por medio de una tarjeta de procesamiento de datos se conecta a Internet, con el fin de publicar alertas por medio de redes sociales. Igualmente, la información se registra en la nube, desde donde también se tiene control de los sensores.

De igual forma en la universidad Katolik de Indonesia se implementó un sistema de monitoreo de bebederos[39], destinado para ganaderos en ciertas regiones, de tal manera que una serie de sensores inalámbricos conectados forman una red a la cual el ganadero tiene acceso a la información del nivel del agua. El sistema fue desarrollado para la conexión de aproximadamente 50 nodos, por medio del uso de Raspberry PI y una transmisión de datos inalámbrica a un servidor en la nube.

En Chennai India, miembros del área de investigación de Ericsson presentaron un proyecto piloto en el cual realizaron la implementación de un sistema inteligente de gestión de redes de agua, usando redes LPWAN como LoRaWAN para la comunicación de los dispositivos. El sistema contó con 4 nodos sensores, cada uno con un modulo de LoRa, ubicados estratégicamente para monitorear el flujo y la calidad del agua. Dichos nodos envían la información a un servidor, que permitió generar alertas según la información recolectada y publicarla en una aplicación web.

No solo estos proyectos han sido desarrollados para medir parámetros relacionados con el agua, sino también otros como [40]–[43] en los que se miden parámetros de calidad y niveles de este fluido a través de diferentes mecanismos tecnológicos.

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• Sistemas Inteligentes de manejo de residuos

En la actualidad uno de los procesos de mayor importancia en las ciudades es el manejo y la gestión correcta de residuos. Debido a las dificultades que se han presentado tanto para la recolección como para la clasificación de los mismos.

Este ámbito plantea un reto importante para las ciudades que van en pro del desarrollo sostenible y que tienen interés en la protección ambiental, y puede ser resuelto con una correcta identificación de los residuos y el desarrollo de mecanismos para su adecuado tratamiento por medio de la utilización de nuevas tecnologías que pueden brindar soluciones muy detalladas a cada problemática, contribuyendo en su proceso de conversión a ciudades inteligentes.

De acuerdo a esto, alrededor del mundo se ha venido trabajando en la creación de sistemas que brinden este tipo de soluciones, los cuales se encuentran enfocados en:

• Sistemas de rastreo de residuos para vigilar y controlar el movimiento de los diferentes tipos de residuos.

• Clasificación de los residuos sin que el operador entre en contacto con ellos.

• Aprovechamiento de la tecnología para recopilar y compartir datos desde la fuente pasando por el transporte hasta la eliminación de residuos.

• Conexión de varios sistemas de gestión de residuos inteligente con los proveedores de servicios de gestión de residuos locales.

En el año 2015 en Dinamarca, se presentó una solución de recolección de residuos [44] basada en proporcionar inteligencia a los botes de basura, mediante el uso de un prototipo de sensor con capacidades de lectura, almacenamiento y transmisión de datos del volumen de la basura a través de Internet. Estos datos son enviados con características espaciales y temporales, para optimizar la recolección y gestión de dichos residuos. Este proyecto fue realizado con el fin de mejorar el sistema de recolección actual sectorizado y reducir los costos de operación de los diferentes camiones recolectores, utilizando herramientas de bajo costo como Arduino.

Un trabajo muy similar fue realizado por investigadores del Instituto Industrial de Sistemas de Atenas[45]. Los investigadores hicieron la arquitectura, modelado, simulación e implementación física de un sistema para canecas de basura de uso común. Este sistema incorpora la medición y transmisión de estimaciones del nivel de llenado. Además de tener un bajo consumo energético debido a sus componentes.

Las unidades de detección se basan en sensores ultrasónicos que proporcionan la información que corresponde al nivel de la caneca. Este sistema fue realizado con

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tecnología RFID y etiquetas activas para la obtención de información y el control de los sensores y lectores RFID. La verificación de su funcionamiento fue realizada mediante simulaciones en MATLAB, experimentos físicos y tratamiento estadístico de la información, lo que reveló un correcto desempeño del sistema.

De igual manera en la universidad ITMO en Rusia se realizó un sistema para la recolección eficiente de residuos[46] con la utilización de dos tipos de camiones, de alta y baja capacidad de almacenamiento. Mediante una serie de sensores y etiquetas RFID ubicados en canecas recolectoras y depósitos en la ciudad, se tienen datos de la cantidad de residuos presentes en ciertos sectores y con base a esto se envían los camiones recolectores que presenten la suficiente capacidad de almacenamiento para su correspondiente traslado. Esta nueva forma para el manejo de residuos ofrece una optimización de recursos físicos y una reducción de costos dada la adecuación de rutas y camiones recolectores. Este mismo sistema fue planteado, por medio de la utilización de promedio de cantidades de residuos en diferentes zonas, en donde se realiza la petición de que tipo de camión se necesita para recolectar los residuos presentes en cierto sitio de almacenamiento[47].

Igualmente se han realizado otros proyectos [48]–[50] para la gestión de residuos, en los que se incorporan diferentes dispositivos y técnicas que facilitan esta labor.

Por otra parte, se han desarrollado mecanismos para el monitoreo y vigilancia de la calidad del aire, los cuales son objeto de este trabajo, y son tratados en la sección 3.1 .

3.1 SISTEMAS DE MONITOREO DE LA CALIDAD DEL AIRE

Los sistemas de monitoreo de la calidad del aire tienen como finalidad llevar a cabo una medición de la cantidad de contaminantes presentes en el aire en un determinado lugar y en un periodo de tiempo. Bajo este concepto existen diferentes mecanismos que dependen de los procedimientos y las herramientas que se usen. Para el caso que concierne al proyecto se hace relevante la revisión de los mecanismos tradicionales de medición, y los que hacen uso de tecnologías de la información y comunicaciones como el Internet de las Cosas (IoT).

3.1.1 Mecanismos tradicionales

A nivel nacional el Ministerio de Ambiente, vivienda y desarrollo social ha dispuesto de un manual de operación [51], en el cual se definen los tipos de sistemas de vigilancia de la calidad del aire (SVCA) existentes según su tecnología. Dentro de este manual se encuentran los siguientes:

• Manuales Este tipo de sistema se encuentra constituido por equipos totalmente manuales, es decir, que necesitan de intervención humana para funcionar. Además tiene una

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característica importante que refiere a la necesidad de un laboratorio para analizar las muestras tomadas. El principio de funcionamiento del sistema se encuentra descrito en el diagrama de procesos de la Figura 8.

Figura 8. Procesos de un SVCA Manual.

Fuente: [51]

Cada uno de estos procesos involucra actividades adicionales para su efectivo cumplimiento como lo son la preparación y acondicionamiento de los filtros para la toma de muestras, las actividades directas al análisis y la determinación de la concentración de los contaminantes, entre otras. De igual forma se realiza un control y aseguramiento de la calidad en cada uno de los procesos, garantizando que la información tomada y analizada corresponde a datos con un alto nivel de confiabilidad.

• Automáticos A diferencia del sistema manual, este se encuentra compuesto por equipos automáticos, en donde no se requiere de un análisis posterior a la toma de muestras debido a que este es realizado directamente por los dispositivos sensores cuando captan los materiales contaminantes. Luego de esto se realiza el procesamiento de la información donde se validan los datos captados, para luego emitir reportes. De la misma manera que el sistema anterior se realiza un proceso de control y aseguramiento de la calidad, para brindar confianza en cada una de las etapas que se realizan, al igual que el acondicionamiento, ajuste y calibración de cada uno de los equipos de toma de muestras. Los procesos mencionados se evidencian en la Figura 9.

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Figura 9. Procesos de un SVCA Automático.

Fuente: [51]

• Híbridos Este sistema toma características tanto de los sistemas manuales como de los automáticos, realizando los procesos de cada sistema e incorporando un mayor análisis y procesamiento de la información. Su diagrama de procesos se encuentra en la Figura 10, donde se denota la combinación de los sistemas.

Figura 10. Procesos de un SVCA Híbrido.

Fuente: [51]

Estos tipos de sistemas de vigilancia de la calidad del aire son los existentes en la actualidad en el mundo, los cuales no tienen una conexión directa con Internet para que las entidades encargadas de los temas ambientales en cada territorio, tengan conocimiento en tiempo real de esta información para la toma de medidas.

En particular, en Bogotá se cuenta con la Red de Monitoreo de la Calidad del aire (RMCAB), que está conformada por 13 estaciones ubicadas cada una en una localidad de la ciudad. Las estaciones realizan un constante monitoreo de la concentración de los gases contaminantes SO2, NO2, CO, O3, y de variables meteorológicas como precipitación, velocidad y dirección del viento, temperatura, radiación solar, humedad relativa y presión barométrica[52]. La información recolectada de cada estación es recibida por una estación central en la que se lleva a cabo el proceso de validación y

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análisis de los datos, y con base a ella se posibilita la toma de medidas que permitan disminuir los niveles de concentración de cada contaminante.

3.1.2 Sistemas de monitoreo ambiental bajo los principios del IoT.

El cambio climático como problemática inminente ha sido uno de los aspectos que ha motivado y creado conciencia en los ciudadanos sobre la importancia que tiene el medio ambiente para la sociedad y sus correspondientes implicaciones si se pasa inadvertido.

La calidad del aire ha sido uno de los aspectos de mayor afectación a nivel mundial como consecuencia del desarrollo de las industrias alrededor del mundo, ya que su producción esta relacionada con la generación de sustancias que contaminan en gran proporción el aire de la zona en la que se encuentran. De forma similar en ambientes cerrados existe presencia de gases contaminantes que perjudican la salud y bienestar de las personas, dado su nivel de concentración y su complejidad de disipación. Por esto, las tecnologías en la actualidad están cada vez mas encaminando sus esfuerzos en crear aplicaciones y dispositivos que sean mas amigables con el medio ambiente y que de cierto modo contribuyan a la mitigación de sustancias que contaminan el ambiente. Una de estas tecnologías es el IoT.

Internet de las cosas

El termino Internet de las cosas (IoT) es definido por algunos autores como la interconexión en red de objetos cotidianos que a menudo están equipados con inteligencia ubicua[53].En la actualidad el Internet de las cosas tiende a conectar cualquier objeto físico a Internet, haciendo uso de capacidades sensoriales y de actuación que permitan a cada objeto tener una independencia. De esta manera se prevé que el Internet de las cosas aplique a diferentes sectores de la sociedad como ambiente, energía, seguridad, agricultura, transporte, entre otros.

Por otra parte, entes importantes a nivel mundial han dado su propia definición de Internet de las cosas, como por ejemplo la UIT-T quien lo concibe como: “una infraestructura global de la sociedad de la información, que permite ofrecer servicios avanzados mediante la interconexión de objetos (físicos y virtuales) gracias a la interoperatividad de tecnologías de la información y la comunicación (TIC) presentes y futuras”[54]. Este concepto incorpora una nueva dimensión que se refiere a la comunicación con cualquier objeto, tal como se muestra en la Figura 11.

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Figura 11. Nueva dimensión de comunicación que introduce el Internet de las cosas.

Fuente: [54]

De forma similar el IEEE, lo considera como: “Una red de elementos, cada uno embebido con sensores, que están conectados a Internet”[55], que presenta una arquitectura de tres capas desarrollada por su grupo de trabajo P2413. En la Figura 12 se evidencia la organización de cada una, desde la captura de datos hasta las aplicaciones.

Figura 12. Arquitectura de tres capas de Internet de las cosas presentada por el IEEE.

Fuente: [55]

Bajo estos conceptos entre muchos mas existentes, se han desarrollado arquitecturas de soluciones IoT más detalladas, en las que se incluyen especificaciones en cada una de sus capas. Como referencia de esto, la compañía Gartner Inc, líder en investigación y consultoría, presenta un modelo de solución para proyectos IoT, que incorpora elementos

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importantes para el desarrollo de este tipo de iniciativas. Dicho modelo se observa en la Figura 13 y es aplicable y adaptable a cualquier tipo de proyecto basado en IoT.

Figura 13. Arquitectura de bloques para una solución basada en IoT presentada por Gartner.

Fuente: [56]

Esta arquitectura se divide en cuatro capas principales, que dependiendo de la solución son adaptables. La primera de ellas, los IoT Endpoints, que corresponden de forma simplificada a los nodos de sensado de diferentes variables, estos recolectan información que es transmitida hacia la IoT Edge Platform, que actúa como Gateway y su función es traducir protocolos y enviar la información hacia Internet al IoT Platform Hub, donde se almacena y es posible realizar un análisis de la información para luego ser visualizada en el la capa Enterprise Applications, por medio de aplicaciones web y demás herramientas.

Para la utilización de esta arquitectura, en el sector medio ambiental existen una serie de dispositivos que permiten realizar un monitoreo de la calidad del aire, recolectando información y posteriormente enviándola a la nube para realizar su análisis. De esta forma, es posible identificar aquellos sectores críticos en los que se presenta mayor índice de contaminación, con el fin de tomar medidas preventivas y correctivas que contribuyan al cuidado del medio ambiente.

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Investigaciones relacionadas con sistemas de monitoreo ambiental

El IoT apuesta a las temáticas ambientales dada la importancia y la proyecciones que se tienen al respecto. En evidencia de esto se han desarrollado propuestas y modelos, implementación de sistemas con tratamiento local de datos, y sistemas con procesamiento de datos en la nube, todos ellos para el monitoreo de variables ambientales específicamente de la contaminación del aire. La Tabla 1 presenta la comparación de los estudios encontrados, teniendo en cuenta los sensores, el ámbito de aplicación, la red de transmisión de datos, entre otros.

Tabla 1. Comparativa entre los estudios de sistemas de monitoreo ambiental.

Categorías Estudio Autores Sensores Red de transmisión

Ambito de aplicación Lugar

Propuestas y modelos

[57] M. S. Jamil et al

Contaminación Ambiental Zigbee, LTE Exteriores Pakistan

[58] D. Fotue et al

Contaminación Ambiental WiFi Exteriores Luxemburgo

[59] C. Xiaojun et al

Contaminación Ambiental - Exteriores Jiangsu Prov,

China

[60] S. Manna et al CO,SOX GPRS Carreteras Kolkata, India

Sistemas locales

[61] M.Firdhous et al Ozono Bluetooth Interiores Sri Lanka

[62] O. Sidek et al

CO2, O2, Temperatura,

Humedad Xbee Pro Exteriores Malasia

Sistemas conectados

a la nube

[63] Akshata

Tapashetti et al

CO2, HCHO, Luz,

Temperatura--Marvell

88MW302

WiFi Interiores California, EEUU

[64] M. Simić et al

NH3, NOx, Temperatura,

Humedad Ethernet Interiores Serbia

[65] G. B.

Fioccola et al

CO,CO2,NO2,CH4,H2S,O3,NH3,C6H6,C2H6O,C7H8,C3

H8, Temp,

WiFi Interiores Napoli, Italia

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Humedad.

[66] J. Shah and B. Mishra

CO2, Temperatura,

Humedad

Radio Frecuencia Exteriores India

[67] V. Gokul and S.

Tadepalli

CO, SO2, NO2, CH4 WiFi Interiores India

[68] W.

Fuertes et al

CO, CO2 WiFi Exteriores Ecuador

[69] M. P. Silva et al

Temperatura, Humedad.

WiFi/Ethernet Interiores Brasil

Propuestas y modelos

La Universidad del Norte de Florida junto con Huawei Technologies y la Universidad de ingeniería y tecnología de Pakistán, han explorado en el ámbito del Internet de las cosas y han propuesto el despliegue de una red de sensores inalámbricos cuyos nodos se ubican en diferentes sitios fijos de una ciudad [57], en automóviles y en buses del transporte público, con el fin de monitorear las condiciones físicas y ambientales de ciertos sectores de tal forma que se puedan identificar los factores mas críticos y realizar acciones correctivas para mejorar la calidad del aire.

Esta propuesta incluye un manejo de datos dinámico, en el cual los vehículos analizan las condiciones ambientales por medio de sensores de igual forma que los nodos fijos, y comunican esa información para llevarla a Internet por medio de una red LTE, tal como se observa en la Figura 16.

38

Figura 14. Arquitectura de red de vehículos de transporte público basada en LTE.

Fuente: [57]

De igual forma investigadores de la Universidad de Luxemburgo propusieron una arquitectura [58] basada en redes malla de sensores inalámbricos para medir la contaminación del aire en ciudades africanas, la cual puede ser extrapolada a cualquier ciudad en el mundo. Esta arquitectura, busca disminuir los altos niveles de contaminación por medio de normativas que se basen en los datos recogidos por la red.

Por otra parte y de forma mas general se encuentra un sistema basado en Internet de las cosas para el monitoreo de la polución del aire [59], realizado en China, en donde se establecen tres capas fundamentales:

ü Percepción. Comprende aquella parte física como los sensores, que se despliegan para la captación de la información del ambiente. Esta capa tiene la capacidad de tomar información de diferentes sustancias contaminantes.

ü Red. Es el punto intermedio entre la capa de percepción y de aplicación. Se encarga de la transmisión de la información proveniente de los sensores físicos a servidores de almacenamiento de datos.

ü Aplicación. Es la capa en la que se realiza un análisis de la información captada, detectando los niveles de contaminación en tiempo real . Con base en esta información se generan los diagnósticos y pronósticos de comportamiento de los niveles de polución.

Con base en esto se genera un modelo de monitoreo, en el cual pueden adaptarse distintos tipos de dispositivos tecnológicos, protocolos de comunicación y herramientas de análisis dependiendo de las necesidades propias del sistema.

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Otro modelo de monitoreo de la calidad del aire se presenta en carreteras y en vehículos, debido al impacto que estos tienen en el ambiente en el que transitan. Este sistema incorpora el Internet de las cosas por medio de una combinación entre redes de sensores inalámbricos y sensores de gases tóxicos electroquímicos, además de etiquetas RFID que permiten el envío de la información de contaminación de cada vehículo en determinados lugares[60].

La información de los niveles de contaminación de cada automóvil se transmite cuando el vehículo que se encuentra en la carretera pasa cerca de lectores RFID distribuidos a lo largo del camino, tal como se observa en Figura 15.

Figura 15. Sistema de transmisión de información por medio de etiquetas RFID.

Fuente [60]

De este modo se realiza la captura de la información correspondiente a niveles de contaminación y después de ello se transmite a la web para ser analizada y tratada mediante herramientas y personal únicamente dedicado a esa tarea, así como se observa en la Figura 16.

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Figura 16. Arquitectura de funcionamiento del sistema de monitoreo de la calidad del aire en

carreteras.

Fuente [60]

Sistemas con tratamiento local de datos

Miembros de la Universidad de Moratuwa en Sri Lanka, realizaron la propuesta de un sistema de monitoreo ambiental en interiores[61], para detectar las concentraciones de Ozono cerca de una maquina de fotocopiado. Para ello se usó un dispositivo IoT Arduino cuya función consistió en la recolección de información y su correspondiente envío mediante Bluetooth a un nodo central encargado de concentrar la información, para luego ser visualizada localmente, sin la necesidad de una conexión directa a Internet. Además, este sistema permitió la detección de otros gases que se generaban en el ambiente cerrado a causa de la maquina de fotocopiado.

Por otro lado, el Centro de Excelencia de Diseño Micro Electrónico Colaborativo de Malasia en conjunto con otros autores, desarrollaron un prototipo de sistema de monitoreo de gases de efecto invernadero con el despliegue de un vehículo aéreo no tripulado (VANT o UAV2) [62]. Este prototipo cuenta con una serie de sensores y micro controladores desplegados en diferentes ubicaciones espaciales en un campus, los cuales fueron sobrevolados por un VANT con el fin de recoger la información de CO2, O2, temperatura y humedad que se captaba por medio de los sensores. El medio de transmisión fue inalámbrico bajo los principios de Xbee Pro, el cual permite un correcto funcionamiento para la transmisión y recepción de la información. La investigación presenta resultados precisos de niveles de contaminación dadas las condiciones de cada sensor dentro del campus.

2 Del inglés, Unmanned Aerial Vehicle

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Sistemas con procesamiento de datos en la nube

En referencia a la implementación de sistemas con procesamiento de datos en la nube, se han desarrollado los siguientes proyectos:

• Universidad de Santa Clara en California: desarrolló un dispositivo para el monitoreo de la calidad del aire en ambientes interiores, en el que se tomaron medidas de concentración de monóxido de carbono y gases HCHO[63]. Esta información es enviada a la nube para notificar a algún dispositivo inalámbrico cuando se alcanza un determinado umbral de concentraciones. El sistema involucró un dispositivo Marvell 88MW302, quien actuó como Gateway para enviar la información de los sensores, la nube de servicios de AWS, y el desarrollo de software para el envío de notificaciones.

• Proyecto SENSEIVER de la Unión Europea: presentó un sistema de monitoreo ambiental remoto[64] relacionado directamente con agua y aire, cuyo hardware se basó en un microcontrolador ATmega128 para la adquisición de datos, sensores STH11 para temperatura y humedad, MQ135 para gases, LM35 para temperatura, entre otros. La información obtenida es recolectada por la tarjeta de control y publicada mediante MQTT en una plataforma propietaria de IBM donde es posible su visualización, siguiendo la estructura que se muestra en la Figura 17. Adicionalmente se utiliza un panel solar que permite la alimentación del sistema de forma autónoma.

Figura 17. Arquitectura del sistema de monitoreo de la calidad del aire y el agua

presentado en TELFOR 2016.

Fuente: [64]

• Universidad de Napoli “Federico II”: presentó Polluino en 2016, un sistema de monitoreo de la calidad del aire basado en Arduino junto con una plataforma en la nube para gestionar los datos referentes a contaminación[65]. El sistema está compuesto por: 12 sensores de gases contaminantes, 1 sensor de temperatura, 1 sensor de humedad, 1 sensor de lluvia, 1 sensor de intensidad de luz, 1 detector de incendios, un microcontrolador Arduino, y una tarjeta ESP8266 actuando como Gateway. De estos sensores se obtuvo información para ser publicada en la

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plataforma de gestión y allí obtener graficas de comportamiento de las diferentes variables que fueron monitoreadas.

• Instituto Dhirubhai Ambani de Tecnología de la Información y la Comunicación:, en 2016 presentó un sistema de monitoreo ambiental para ciudades inteligentes basado en la arquitectura presentada en la Figura 18.

Figura 18. Arquitectura del sistema de monitoreo ambiental del Instituto Dhirubhai Ambani

basado en IoT.

Fuente: [66]

Este sistema utiliza un nodo de transmisión al que se conectan los sensores de las variables ambientales, este nodo envía la información a un nodo receptor conectado a una computadora que se encarga de procesar los datos para visualizarlos gráficamente. Desde allí se envían los datos a Internet y dependiendo de los datos recibidos se envían notificaciones a teléfonos móviles con sistema operativo Android mediante una aplicación desarrollada específicamente para este fin[66].

• TATA Servicios de Consultoría Limitada: presentó en 2016 la implementación de un dispositivo basado en IoT para el monitoreo de la contaminación atmosférica. El dispositivo propuesto contó con sensores de dióxido de sulfuro, dióxido de nitrógeno, metano y monóxido de carbono, los cuales se conectaron a un Arduino nano para su correspondiente procesamiento y envío a la nube mediante un módulo WiFi ESP-8266[67]. La información se almacenó en la plataforma de uso libre ThingSpeak para su correspondiente visualización. Adicional a esto el dispositivo involucró un banco de baterías de 5 voltios para su alimentación.

• Universidad de las Fuerzas Armadas en Sangolqui, Ecuador: se desarrolló un sistema de bajo costo para el monitoreo de contaminación del aire de forma inalámbrica y en tiempo real, el cual realiza principalmente la medición de monóxido y dióxido de carbono [68]. Esta información fue tomada de varias

43

ciudades de ese país y contrastada con las métricas que provee la Organización Mundial de la Salud.

El marco de trabajo adoptado para esa investigación de observa en la Figura 19, donde se especifican los componentes de detección, conexión con Internet y aplicación del sistema.

Figura 19. Marco conceptual de trabajo del sistema de bajo costo para el monitoreo

inalámbrico de la calidad del aire de la Universidad de las Fuerzas Armadas en Sangolqui,

Ecuador.

Fuente: [68]

• Universidad de Santa Catarina en Brasil: desarrolló un sistema de monitoreo

utilizando dispositivos ZigBee con sensores de humedad y temperatura [70], el cual se desplegó en un entorno residencial, con el fin de conocer las diferentes variables ambientales y así prevenir posibles crisis asmáticas de personas a proximidad del sistema. Este sistema fue implementado bajo el principio de redes de sensores inalámbricas, teniendo un nodo sensor principal el cual presenta conexión directa con un Gateway que transmite la información hacia Internet, donde es almacenada y puede ser consultada por diferentes personas.

En resumen, estas son algunas de las investigaciones y experimentos relacionados con la temática de monitoreo ambiental que han sido realizados alrededor del mundo. Sin embargo existen otros mecanismos que están siendo desarrollados.

44

4 SISTEMA DE MONITOREO AMBIENTAL BAJO LOS PRINCIPIOS DEL INTERNET DE LAS COSAS.

Dentro de la literatura científica revisada, los estudios y modelos presentados, no se encontraron sistemas de monitoreo ambiental desarrollados con el uso de redes LPWAN, como LoRa o Sigfox. Éste trabajo incorpora tecnología LoRaWAN, sensores de alta precisión y se encamina hacia servicios orientados al estado Colombiano en su esfuerzo por la creación de un sistema nacional de indicadores que permita monitorear y evaluar variables ambientales, en su búsqueda de la reducción de niveles contaminantes para el año 2030 según sus compromisos ante la ONU.

Por otra parte, los trabajos descritos en el capitulo anterior no se enmarcan dentro de compromisos de los países en donde fueron desarrollados, ni han sido desplegados en búsqueda del algún beneficio para su nación.

Basado en las especificaciones del anexo A, en la Figura 20 se presenta una visión general del diseño del sistema denominado WEOT, en el que intervienen dispositivos de sensado de los gases CO2 y CH4, los elementos de la red LoRaWAN y las herramientas tanto de almacenamiento como de visualización web.

Figura 20. Diseño del sistema de monitoreo ambiental bajo los principios del IoT.

Partiendo de la base que el sistema esta orientado bajo los principios del Internet de las Cosas, es apropiado tomar como referencia el modelo planteado por Gartner[56], en donde se presentan cuatro capas principales que componen este tipo de soluciones,

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iniciando desde una capa física de sensado hasta llegar a la capa de aplicación donde es posible visualizar los datos recolectados. Bajo ese modelo de solución fue plateando el diseño del sistema, que se encuentra descrito a continuación.

4.1 DISEÑO

El sistema de medición de calidad del aire, WEOT, está enmarcado bajo la arquitectura de 4 capas de Gartner[56]: IoT Endpoints, IoT Edge Platform, IoT Platform repository, Application (Figura 21).

Figura 21. Arquitectura del sistema basada en el modelo IoT de Gartner.

Capa IoT Endpoints

Está compuesta por una tarjeta de procesamiento de información, que dentro de sus componentes posee un módulo de transmisión LoRaWAN. Esta tarjeta permite la incorporación de sensores. Para este caso se consideraron sensores compatibles con la tarjeta LoRa, que recolectaron datos de humedad ambiente, temperatura ambiente, concentración de dióxido de carbono y concentración de metano, los cuales son los encargados de medir las condiciones ambientales.

Capa IoT Edge Platform

Esta capa tiene dos componentes principales: la antena y el Gateway Lora. La antena funciona en la banda de frecuencias UHF en un rango de uso libre. Su radiación corresponde a un patrón omnidireccional con un alcance de 2 a 5 Km, el cual varía según la zona y los obstáculos presentes.

46

El Gateway LoRa recibe los datos provenientes de la antena y mediante una conexión a Internet envía los datos al servidor web LoRa donde se verifican los paquetes de información de los sensores enviados desde la capa IoT endpoints.

Capa IoT Platform Repository

Su función es recibir los datos del Gateway LoRa y después de su paso por la capa de aplicación, almacenarlos en una base de datos. La información recogida es verificada inicialmente en el servidor web LoRa donde se administran todos los dispositivos que tienen acceso a la red. Una vez corroborada la información, esta es transmitida a la aplicación web, en donde los datos son publicados y son enviados a Bucket para su correspondiente almacenamiento.

Bucket3, es un repositorio para datos de dispositivos IoT. En este trabajo se utilizó para almacenar los registros de las variables ambientales captados en la capa de Endpoints. El repositorio organiza los datos de manera jerárquica, es decir, una solución IoT agrupa uno o multiples dispositivos, cada dispositivo está compuesto por uno o más sensores y cada sensor tiene asociado un conjunto de capturas. La importancia de Bucket radica en que este permite centralizar información de dispositivos IoT y ésta puede ser utilizada por diferentes aplicaciones mediante un lenguaje común.

Capa IoT Application

Es la capa que permite a usuarios la visualización de datos. En este caso, esta capa está compuesta por una aplicación web donde se publican los niveles de concentración de los GEI monitoreados junto con la humedad y temperatura ambiente. Permite al usuario estar al tanto de las condiciones ambientales reportadas en un determinado instante de tiempo para una ubicación geográfica especifica.

4.2 IMPLEMENTACIÓN Y VALIDACIÓN

La implementación del sistema se enmarcó en las capas mencionadas anteriormente.

4.2.1 Capa IoT Endpoints

Esta capa esencialmente corresponde al nodo de sensado de condiciones ambientales. Sus componentes son: la tarjeta de procesamiento de datos que incluye un módulo LoRaWAN Dev Board y los sensores de cada una de las variables ambientales.

3 Disponible en https://github.com/Magnadata-USTA/Bucket

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Tarjeta Dev Board

La Dev Board es una tarjeta inspirada en la distribución de Arduino, que incorpora un modulo de transmisión por radiofrecuencia para LoRaWAN a 915 MHz. Se basa en el diseño esquemático del circuito impreso de Arduino UNO, al cual se realizaron modificaciones para adaptarse a redes LoRa. La programación se realiza desde el IDE de Arduino, el cual la reconoce como Arduino Micro, debido a las modificaciones. En la Figura 22, se observa la tarjeta utilizada.

Figura 22. Tarjeta de procesamiento Dev Board utilizada para el envío de datos mediante

LoRaWAN.

Sensores ambientales

Para la medición de humedad y temperatura, se utilizó el sensor Si7021 – SHT214, que presenta alta precisión, teniendo rangos de error muy pequeños. Posee una interfaz I2C de fácil manejo que posibilita el envío de los valores a la tarjeta de procesamiento de forma sencilla y rápida. Además es apto para aplicaciones de monitoreo ambiental como la presentada en este documento.

En cuanto a dióxido de carbono (CO2), el módulo utilizado para la medición fue el Gravity - SEN02195, un sensor infrarrojo cuya alimentación está fijada en 5 Voltios. Posee una salida analógica que está entre 0.4 ∼ 2 Voltios que corresponden a valores de 4 Características técnicas en el anexo B, apartado sensor de temperatura y humedad Si7021-SHT7021. 5 Características de funcionamiento en el anexo B, en el apartado sensor de dióxido de carbono Gravity-SEN0219.

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concentración del gas en un rango de 0∼5000 ppm. Presenta una calibración de fabrica que se adecúa al rango mencionado de voltaje.

Para la medición de Metano (CH4) el sensor utilizado fue el SainSmart - TGS26116, cuyas características se adaptan al ambiente promedio de la ciudad de Bogotá, y permite un amplio rango de medición bridando de 500 a 10000 PPM. Posee una salida analógica que posibilita el calculo de la concentración en PPM, de acuerdo a valores de resistencia internos del circuito.

Integración Dev Board-Sensores

Para cada uno de los sensores se verificó el correcto funcionamiento mediante la tarjeta LoRa Dev Board, la cual se utilizó para programarlos por medio del IDE de Arduino. Como método de validación, se visualizó el valor de cada uno de los sensores en el IDE de Arduino. La Figura 23 muestra el circuito de integración de la Dev Board con los sensores ambientales y la Figura 24 describe el código utilizado para la programación y el resultado obtenido en tiempo real por la tarjeta.

Figura 23. Circuito de integración de la Dev Board junto con los sensores ambientales.

6 Características de funcionamiento en el anexo B, apartado sensor de metano TGS-2611.

49

Figura 24. Fragmento del archivo de programación de los sensores mediante el IDE de Arduino y

los correspondientes datos arrojados por los sensores.

Posteriormente, la Dev Board se utilizó para el envío de los datos capturados por los sensores al servidor web LoRa. Para esto fue necesaria la codificación de los datos mediante la conversión de cada uno a formato hexadecimal, de acuerdo a las especificaciones de las redes LoRaWAN[71].

4.2.2 Capa IoT Edge Platform

La capa de IoT Edge se compone del Gateway LoRa Multitech Conduit, el cual tiene conectado una antena LoRa- Laird FG9023.

La antena Laird FG90237 presenta un patrón de radiación omnidireccional que facilita la cobertura de dispositivos en sus cercanías. Esta antena recibe la información del

7 Características técnicas en el anexo B, apartado antena Laird FG9023

50

EndPoint y la transmite al Gateway LoRa Multitech Conduit, que mediante una conexión Ethernet reenvía vía Internet la información al servidor web LoRa.

El gateway utilizado fue diseñado especialmente para aplicaciones de IoT y cuenta con sistema operativo mLinux basado en la distribución de Linux Yocto que brinda la posibilidad de utilizar cientos de paquetes y lenguajes de uso libre. En particular el sistema operativo soporta Java, Ruby, Perl, Python, C/C++, PHP y JavaScript además de paquetes para bases de datos como SQLite y para servidores web como lighttpd.

Éste dispositivo se encuentra ubicado en la terraza de la sede Santo Domingo de la Universidad Santo Tomás sede Bogotá (Figura 25).

Figura 25. Ubicación de la antena y el Gateway de LoRaWAN en la terraza del edificio Santo

Domingo de la universidad Santo Tomás.

La antena desde esta ubicación, brinda cobertura con un radio de aproximadamente de 2.5 km. 4.2.3 Capa IoT Platform Repository

Esta capa se compone por el servidor de LoRaWAN y el repositorio de datos Bucket. Dentro del servidor se asignan credenciales de identificación a cada nodo de sensado ambiental (Figura 26).

51

Figura 26. Interfaz del servidor LoRa con las credenciales de la dev board utilizada.

La información del nodo de sensado ambiental es recibida por el servidor LoRa. En este es posible verificar el numero de mensajes que se han enviado y recibido por parte de los nodo se sensado. Adicionalmente, permite identificar el nombre del nodo, junto con sus correspondientes identificadores (Figura 27).

Figura 27. Credenciales de identificación del dispositivo.

52

Debido a que los datos son recibidos mediante el protocolo MQTT, con un software cliente es posible observar el contenido los paquetes que llegan en formato JSON con los datos de los sensores codificados en formato base64.

El software cliente utilizado fue MQTT.fx, que permite conectarse al servidor LoRa y suscribirse al topic application/2/node/0004a30b001efd26/rx que corresponde al dispositivo de LoRaWAN desde donde se envía la información de los sensores ambientales. Una vez suscrito, la interfaz permite ver el contenido de cada uno de los mensajes que llegan, donde se indica información de los sensores, posición geográfica y las credenciales mismas del dispositivo. La interfaz del cliente (Figura 28) presenta el historial, la información del ultimo mensaje recibido y el topic al cual se encuentra suscrito.

Figura 28. Interfaz del cliente MQTT.fx donde se visualizan los mensajes provenientes de la tarjeta

LoRaWAN

Para almacenar en el repositorio Bucket la información recibida, se realiza un script en Python que actúa como cliente MQTT para poder tomar la información referente al valor de cada una de las variables ambientales. Este script se ejecutado desde la capa de aplicación, desde donde se envía la información al repositorio. El funcionamiento del script mencionado se observa de forma mas específica en la Figura 29.

53

Figura 29. Diagrama de flujo del script cliente MQTT hecho en Python.

Este script se ejecuta desde la capa Application, alojada en una maquina virtual de Amazon Web Services (AWS). Esta capa incluye un servidor web y demás archivos de configuración. Al realizar ese proceso se obtiene la publicación de los datos en el repositorio Bucket, donde se encuentran registrados cada sensor como parte de un dispositivo y este como parte de una solución, así:

Figura 30. Organización de la información dentro del repositorio Bucket.

La ejecución del script fue puesta a prueba, obteniendo la publicación de la información de cada sensor en el repositorio. La Figura 31 muestra dos mensajes publicados que corresponden a temperatura, siendo adecuados los valores para el día y la hora de la medición.

54

Figura 31. Información de temperatura publicada en Bucket desde el script de cliente MQTT

De igual manera se verifica la publicación de la información de los demás sensores ambientales en el repositorio, obteniendo los datos correctos, lo cual confirma que mediante la ejecución del script de cliente MQTT, la información de cada una de las variables se almacena de manera correcta en el espacio indicado del repositorio de datos Bucket.

4.2.4 Capa IoT Application

La capa de aplicación implicó el montaje de una maquina de computo en la nube de AWS, en donde se alojó un servidor Web Apache2 que se encargó del procesamiento y correspondiente visualización de la información de las variables ambientales captadas desde la capa de IoT End-points.

Las especificaciones de cada uno de los elementos utilizados en esta capa se muestran a continuación:

Maquina Virtual

Fue creada en la nube de AWS bajo los servicios ofrecidos para este tipo de aplicaciones. Las características de la maquina se evidencian en el anexo B, en el apartado Maquina Virtual.

Servidor Apache

Dentro de la maquina virtual se configuró el servidor Web utilizando Apache/2.4.18 para Ubuntu, y se establecieron los parámetros básicos de funcionamiento que se encuentran

55

en el anexo B, apartado Servidor Apache. Adicionalmente, se instaló y configuró PHP versión 7.0.22 para realizar una gestión mas eficiente del contenido Web del servidor.

Las interfaces del servidor web se diseñaron utilizando herramientas y lenguajes de programación web como HTML, CSS, PHP, JavaScript y Python que permitieron una visualización adecuada de la información. Cada una de ellas cumplió con un objetivo dentro del desarrollo, así:

• HTML: es el lenguaje de marcas de hipertexto por sus siglas en ingles, y se refiere al lenguaje para elaborar interfaces web. Basado en éste, se realizaron cada una de las paginas de visualización que presenta el servidor, dándole la estructura y las características deseadas.

• PHP: consiste en un lenguaje para el desarrollo web, que presenta plena compatibilidad con HTML y permite la ejecución de scripts y comandos del lado del servidor, de los cuales se obtienen resultados para el lado del cliente. Permite realizar una gestión adecuada de contenidos web mediante su diversidad de funcionalidades y características. Particularmente este lenguaje permitió la ejecución de scripts Python para la visualización de cierta información dentro del servidor.

• CSS: son las hojas de estilos que permiten la organización del contenido dentro de la interfaz realizada con HTML. En el servidor, fue de utilidad para distribución del contenido y la disposición de cada elemento dentro de la pagina web.

• JavaScript: es un lenguaje de programación bastante utilizado para el perfeccionamiento de paginas web, ya que permite mejorar las interfaces web realizadas con HTML, PHP y CSS mediante la utilización de objetos y atributos dinámicos que brindan una mejor experiencia al usuario. Por medio de este lenguaje se dinamizaron algunos contenidos del servidor web.

• Python: se trata de un lenguaje de programación multifuncional, que es adaptable a un sin numero de plataformas. En este caso se utilizó en su expresión mas sencilla para la creación de archivos y escritura de los mismos, y de forma mas compleja para realizar un cliente MQTT y procesar toda la información allí obtenida.

Con la utilización de cada una de estas herramientas, fue construido todo el contenido web del proyecto, de donde resultaron las siguientes interfaces principales:

1. Interfaz de Inicio En ella se presenta el sistema de monitoreo ambiental, junto con las variables que se miden, las cuales se visualizan por medio de un mecanismo dinámico de JavaScript. Adicionalmente, se establecen los enlaces para el ingreso a demás contenidos del servidor web, tal como se observa en la Figura 32.

56

Figura 32. Interfaz de inicio de la aplicación web weot.usantotomas.edu.co.

2. Interfaz de datos ambientales Presenta la información de concentración de CO2, CH4 y los valores de humedad y temperatura reportados por la tarjeta de procesamiento LoRa que obtiene los datos de los sensores. Por medio de PHP y el script cliente de MQTT, se actualiza cada 10 minutos y reporta la fecha y hora de la última actualización en la parte inferior de la página, tal como se muestra en la Figura 33.

Figura 33. Interfaz de datos ambientales donde se visualiza los valores reportados por la

tarjeta LoRa.

57

3. Interfaz de ubicación de nodos Presenta la ubicación de los nodos de sensado ambiental del sistema. En la actualidad se pretende ubicar un único nodo ubicado en cercanías de la sede principal de la universidad Santo Tomás sede Bogotá, así como se indica en la Figura 34.

Figura 34. Interfaz de ubicación del nodo de sensado ambiental.

De forma adicional, en el servidor fue almacenada información de composición y efecto de las variables ambientales objeto de sensado, una galería con imágenes del prototipo desde su fase inicial hasta la final, el alcance del proyecto, y el equipo de trabajo del CEA-IoT Nodo Universidad Santo Tomás.

Según lo mencionado en la capa de IoT Platform Repository, el script de cliente MQTT de Python fue ejecutado desde la maquina virtual con una periodicidad de 10 minutos configurada en el crontab del sistema operativo. Este script tal como se indicó en la Figura 29, escribe en un archivo de texto los datos de las variables ambientales y realiza el envío de esa información al repositorio Bucket.

Por otra parte, dentro del servidor web, la interfaz de datos ambientales mediante PHP realizó la ejecución de un script Python, cuya función es leer la información del archivo de texto .txt que contiene la información de la ultima actualización de las variables ambientales reportada por el cliente MQTT.

58

Este proceso de flujo de información se explica de manera mas clara en la Figura 35 donde se encuentran los principales actores.

Figura 35. Flujo de datos dentro de la capa de aplicación y relación con la capa de IoT Platform

repository.

De esta manera se gestionó el contenido web del servidor, para que la información se registrara tanto en el repositorio de datos como en la aplicación web de la forma más ágil posible, con el fin de brindarle al usuario la mejor experiencia al navegar en él.

59

5 RESULTADOS

Con el fin de poner a prueba la implementación de WEOT descrita en el capítulo anterior, se realizó una captura de datos ambientales durante una semana. Dicha validación se realizó en ambiente cerrado de laboratorio, en donde las condiciones de temperatura, humedad, concentración de CO2 y CH4, varían con respecto a entornos abiertos.

5.1 DATOS OBTENIDOS

Los datos obtenidos al finalizar la etapa de diseño e implementación de WEOT, pueden clasificarse en dos categorías: rendimiento en la maquina virtual y datos obtenidos por el nodo de sensado.

Rendimiento en la maquina virtual

Las características de creación de la maquina, se ajustaron para el procesamiento de la información del sistema, permitiendo que cada uno de los servicios y aplicaciones alojados en ella tuvieran un buen desempeño. Así lo demuestra la Figura 36, donde se evidencia un uso de CPU de la maquina menor al 50% en pleno funcionamiento del sistema.

Fecha de medición

Figura 36. Utilización de CPU de la maquina virtual para un período de una semana.

Al revisar cada una de las funcionalidades de la aplicación web se obtuvo un tiempo de respuesta de menos de 3 segundos. Particularmente al evaluar el tiempo de ejecución del

Por

cent

aje

de u

tiliz

ació

n (%

)

60

script cliente MQTT realizado en Python que captura la información de las variables ambientales, se encontró que está en un rango entre 58-65 segundos. Este tiempo se debe a la complejidad del proceso de captación de los datos del servidor y el procesamiento de los datos hasta la publicación.

Además, el tiempo se justifica dado a que el envío de datos por medio del nodo de sensado hacia el servidor LoRa es de 1 dato cada 3 segundos. Al enviarse la información de las 4 variables ambientales y de los 4 identificadores respectivos a cada una de ellas se tiene un tiempo únicamente de llegada hacia el servidor LoRa de mas de 30 segundos, y a partir de este tiempo se realiza el proceso de escritura del archivo de texto, publicación en la aplicación web y almacenamiento en Bucket (Figura 37).

Figura 37. Proceso y tiempo de envío de datos.

Datos obtenidos por el nodo de sensado

Tomando como referencia un grupo de 13 datos captados entre las 2 y 4 de la tarde del día 12 del mes de octubre, se observan pequeñas variaciones en cada uno de sus valores.

La variación para temperatura y humedad se observa claramente en la Figura 38 donde para cada una de las 13 medidas, la temperatura se conserva entre los 18-21ºC, valores normales para el entorno, y la humedad entre un 53-54%.

61

Figura 38. Comportamiento de la temperatura y humedad en el entorno de laboratorio.

De igual manera, los niveles de concentración de CH4 y CO2 captados tuvieron valores ajustados al ambiente. En el caso del metano se conservó la detección en un nivel que no superó las 220 PPM, dato justo para un entorno de laboratorio, teniendo en cuenta que las principales fuentes de emisión de este tipo de gases se presentan en el sector agrícola y también por motivos de la descomposición de materia orgánica. En la Figura 39 se detalla el comportamiento presentado por este gas.

Figura 39. Niveles de concentración de Metano.

El comportamiento de la concentración de CO2 fue distinto a los demás, presentando unas variaciones mucho mas marcadas, debido a que el proceso de respiración humana produce este tipo de gas, y al haber personas en el ambiente de pruebas era previsible que existieran este tipo de cambios.

Los datos oscilaron entre las 1100-1400 PPM, valores medianamente elevados para este tipo de ambientes, tal como lo manifiestan algunos autores [72] al afirmar que superar las 1000 PPM en un ambiente cerrado, es muestra clara que no existe un mecanismo

18

19

20

21

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Temperatura(º

C)

Númerodemuestra

52

54

56

0 5 10 15

Humedad(%

)

Númerodemuestra

200

210

220

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

CH4(PP

M)

Númerodemuestra

62

adecuado de ventilación. La Figura 40, detalla la variación obtenida entre cada captura de información.

Figura 40. Niveles de concentración de CO2.

Estos resultados permiten concluir que las mediciones realizadas con cada uno de los sensores se encuentran en los niveles ambientales normales para el entorno de la medición, teniendo en cuenta que para oficinas los niveles de concentración de CO2 oscilan entre las 1000 y 2000 PPM según la compañía PCE instruments [73], y los de CH4 son bajos al no existir fuentes importantes de emisión dentro del ambiente.

1150

1200

1250

1300

1350

1400

0 5 10 15

CO2(PPM

)

Númerodemuestra

63

6 CONCLUSIONES

Los sistemas de monitoreo de la calidad del aire presentes en la actualidad en Colombia, tienen gran complejidad desde la captación del dato hasta el envío a algún sistema de información. Esto se debe a la necesidad de la intervención humana en este tipo de procesos. En su mayoría estos sistemas almacenan la información localmente y según la necesidad, el personal de administración de la estación de monitoreo envía la información captada a la entidad que lo requiera. Este proceso no facilita el conocimiento de los datos captados a los entes de control y las personas del común, sino que entorpece los procesos de las entidades gubernamentales que necesitan saber las condiciones ambientales de determinados sectores para la toma de decisiones de control. Mediante el uso de nuevas tecnologías se han realizado aproximaciones a sistemas de monitoreo ambiental, utilizando protocolos de Internet tradicionales y redes WiFi para la transmisión de la información. Sin embargo, redes de área amplia y baja potencia como LoRaWAN utilizada en este proyecto, no han sido implementadas aun en el país. Por esta razón la importancia de este proyecto, al ser uno de los primeros en enfocarse en temáticas ambientales haciendo uso de nuevas tendencias tecnológicas como el IoT. Los principales gases de efecto invernadero definidos a nivel mundial son Dióxido de carbono, Metano, Oxido Nitroso y vapor de agua, debido a que su presencia se traslada a la atmosfera una vez es producido. Estos gases presentan el mayor porcentaje de contaminantes que contribuyen al calentamiento global dadas sus propiedades físicas que impiden la salida de los rayos de luz de la superficie terrestre. De acuerdo a la información presentada en el capitulo 2, en la actualidad, Colombia no tiene una normativa que indique los máximos niveles permitidos de inmisión para el ser humano, por lo cual este sistema permitirá establecer los niveles que se tienen en el presente, para definir éste tipo de normativas. El uso de redes LPWAN permitió la estabilidad del sistema, al presentarse un número insignificante de perdida de paquetes enviados desde la tarjeta LoRa hacia el servidor LoRa. Además, se presentó un bajo consumo energético del nodo de sensado al no superar los 5 Voltios en alimentación. Adicionalmente, el uso de esta tecnología permite el despliegue de un gran numero de dispositivos que no necesitan directamente una conexión a internet como algunos presentes en la actualidad. El sistema de monitoreo ambiental esta adaptado para la incorporación de sensores con un rango mas amplio de medición y con una mayor precisión, lo que permite tener una mayor certeza en los datos que son captados y publicados en la aplicación web y en el repositorio de datos. La calibración de los sensores de CO2 y CH4, fue asumida según los parámetros y las curvas presentadas por el fabricante en la hoja de datos de cada sensor. No fue posible

64

realizar modificaciones en este aspecto debido a las condiciones de hardware de cada uno de ellos. El servidor web además de enviar la información hacia el repositorio de datos Bucket, presenta la posibilidad de enviarlo hacia bases de datos externas, lo que posibilita en un futuro proveer información al sistema nacional de indicadores que debe realizar el estado para verificar los niveles de contaminantes, en su búsqueda del cumplimiento de los compromisos de Colombia ante las Naciones Unidas. Cabe resaltar que en a la fecha no se tiene conocimiento del avance en cuanto al desarrollo de este sistema de indicadores, ya que el estado no ha publicado información al respecto. Por otro lado, existe el subsistema de información sobre calidad del aire (SISAIRE) del IDEAM que tiene información relacionada con los contaminantes criterio. El uso de herramientas y servicios en la nube permite una mayor facilidad para la implementación y gestión de servidores web como el implementado en este proyecto, e implica unos bajos costos de operación.

Como trabajo futuro se propone que el prototipo sea implementado en ambientes abiertos para que teniendo en pleno funcionamiento el sistema, se pueda realizar un seguimiento a los niveles reales de contaminación en un área mucho mas amplia que la que hoy día cubren las 13 estaciones de monitoreo ambiental implementadas en Bogotá.

65

ANEXO A. INFORMACIÓN DE REDES LORAWAN

LoRaWAN es un tipo de red totalmente alineado al IoT, ya que garantiza un bajo consumo energético, alta cobertura, y trabajo en frecuencias de uso libre en la mayoría de los países del mundo. Su base de funcionamiento se compone de dispositivos LoRa conectados a un nodo central conocido como Gateway LoRa, que se encarga de recibir los datos y posteriormente enviarlos un servidor LoRa en internet, sirviendo únicamente como intermediario.

El servidor LoRa, se encarga de gestionar cada uno de los dispositivos de la red, proceso que se lleva a cabo habilitando uno o varios gateways que permiten su conexión hacia él. Presenta una topología de red en estrella, que permite que múltiples dispositivos se conecten a un mismo Gateway sin interferirse entre ellos.

Los dispositivos LoRa existentes pueden ser de 3 clases [71]:

• Clase A: Esta clase permite una comunicación bidireccional entre el dispositivo y el Gateway. Sin embargo, para que el Gateway envíe hacia el dispositivo (downlink), previamente debió recibir un paquete por parte de él (uplink). Es una de las clases mas usadas ya que garantiza compatibilidad para cientos de aplicaciones y consume poca energía.

• Clase B: Presenta similitud con la clase A, con la diferencia que no es necesario el envío de paquetes en uplink para poder recibir en downlink por parte del servidor.

• Clase C: Admite comunicación bidireccional, con la particularidad de siempre estar escuchando y recibiendo datos por parte del servidor, excepto cuando esta enviando hacia él.

Por su parte en el servidor de LoRa se utiliza MQTT, un protocolo para la comunicación entre dispositivos para IoT, en el que se utilizó un bróker o gestor Mosquito. Basado en topología estrella, este protocolo permite la gestión de la red y la transmisión de mensajes. La comunicación tiene como base el uso de topics o temas con los cuales el cliente puede tener relación, como publicador o como suscriptor. El primero le permite únicamente publicar información o enviar mensajes al topic y el segundo suscribirse al topic para escuchar y recibir toda la información contenida allí.

La red LoRaWAN basa su principio de funcionamiento en radiofrecuencia, medio por el cual son enviados los datos desde una tarjeta LoRa hacia la antena mas cercana que le esté brindando cobertura. Una vez la información es captada por la antena, es transmitida hacia un Gateway que re-direcciona la información a un servidor web LoRa donde se recibe la información.

66

El uso de este tipo de redes permite conectar cientos de dispositivos que con solo el modulo de LoRa pueden transmitir la información a un solo Gateway para que sea publicada en internet, sin tener que cada uno de ellos estar conectado a internet.

67

ANEXO B. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS

• Sensor de humedad y temperatura Si7021-SHT7021- [74]

ESPECIFICACIONES

Precisión de humedad relativa ∼ 3%

Precisión de temperatura ∼ 4ºC

Rango de detección de temperatura -10 a 85ºC

Rango de detección de humedad relativa 0 a 100 %

Voltaje de operación 1.9 ∼ 3.6V

Corriente Máxima 150µA

Calibración De fabrica

Interfaz de comunicación I2C

68

• Sensor de dióxido de carbono Gravity-SEN0219- [75]

ESPECIFICACIONES

Gas Detectado Dióxido de Carbono

Rango de detección 0 ∼ 5000 PPM

Voltaje de operación 4.5 ∼ 5.5V DC

Corriente Promedio <60mA a 5V

Corriente Máxima 150mA

Señal de Salida Analógica de 0.2 ∼ 2V

Temperatura de operación 0 ∼ 50ºC

Humedad de Operación 0 ∼ 95 RH

Calibración De Fabrica

Comportamiento del sensor según su voltaje de salida vs PPM.

Fuente [75]

69

• Sensor de metano TGS-2611- [76]

ESPECIFICACIONES

Gas Detectado Metano

Rango de detección 500 ∼ 10000 PPM

Voltaje de operación 4.8 ∼ 5.2V DC

Corriente Promedio <61mA a 5V

Temperatura de operación 0 ∼ 30ºC

Humedad de Operación 0 ∼ 65 RH

Características de sensibilidad del sensor de metano TGS2611 según resistencia vs PPM.

Fuente [76]

70

• Antena Laird FG9023 - [77]

ESPECIFICACIONES

Rango de frecuencia 902 – 928 MHz

Ganancia Nominal 3 dBd

Potencia Máxima 200 W

Impedancia Nominal 50 Ω

Polarización Vertical

Patrón Omnidireccional

71

• Maquina virtual

Sistema Operativo Ubuntu Server 16.04 LTS tipo (HVM)

Almacenamiento 8 GiB de tipo Bloque de almacenamiento elástico.

Tipo de Instancia Amazon Micro

CPU 1 Única Virtual

Memoria 1 GiB (Gibibyte 230 Bytes)

Operaciones por segundo 100 a 3000

IPv4 Publica 52.14.73.106 de tipo elástica

Nombre de dominio weot.usantotomas.edu.co

IPv4 privada 172.31.46.239

Soporta SSH, HTTP, FTP, SFTP, IPv6

72

• Servidor Apache

73

ANEXO C. PROGRAMACIÓN DE DEV BOARD PARA EL NODO DE SENSADO

//#include <stdlib.h>

#include "lora_us915sb2.h"

//Declaración de información para el envío de datos por lora

LORA_US915SB2 loraModule(

"067473f4", //Device Address

"0992a02e2562bb8f6e63a02883148807", //Network Session Key

"1e88d870e59c0aa45a80541b155d5dfa", //App. Session Key

"0000000000000001", //App. EUI

10 //Power index from 5 to 10

);

#include <Wire.h>

#include <SHT2x.h>

void setup()

{

Wire.begin();

Serial.begin(9600);

analogReference(DEFAULT);

}

void loop()

{

String tempvaluehex;

String humvaluehex;

String metvaluehex;

String diovaluehex;

while(1){

//Sensor de CO2

int sensorValueCO2 = analogRead(A1);

float voltajeCO2 = sensorValueCO2*(5000/1024.0);

int voltage_diference=voltajeCO2-400;

float condioxido = voltage_diference*50.0/16.0;

//Sensor de metano

int sensorValue = analogRead(A0);

float voltage = sensorValue * (5.0 / 1023.0);//Conversion sensor de CH4

float conmetano = (voltage*10000)/5;//Conversion sensor CH4

74

//Sensor de Humedad y Temperatura Si7021 - SHT7021

float temperatura = (SHT2x.GetTemperature());

float humedad = (SHT2x.GetHumidity());

//Condiciones sensor CO2

Serial.println("-------------------------------------------");

Serial.print("Humedad: ");

Serial.println(humedad);

Serial.print("Temperatura(Cº): ");

Serial.println(temperatura);

//Sensor de Metano

Serial.print("Concentración de Metano - CH4 : ");

Serial.print(conmetano);

Serial.print("ppm");

Serial.println();

//Sensor de Dióxido

Serial.print("Concentración de CO2:");

Serial.print(condioxido);

Serial.println("ppm");

//ENVIO POR LORA

loraModule.joinABP();

int newtemp = int(temperatura);

int newhum = int(humedad);

int newmet = int(conmetano);

int newdio = int(condioxido);

String tempvaluehex =String(newtemp,HEX);

String humvaluehex = String(newhum,HEX);

String metvaluehex = String(newmet,HEX);

String diovaluehex = String(newdio,HEX);

Serial.print("Valor humedad en Hexa: ");

Serial.println(humvaluehex);

Serial.print("Valor temperatura en Hexa: ");

Serial.println(tempvaluehex);

Serial.print("Valor metano en Hexa: ");

Serial.println(metvaluehex);

Serial.print("Valor dioxido en Hexa: ");

Serial.println(diovaluehex);

75

String datatemp = "01";//+ diovaluehex;

String datahumd = "02";//+ humvaluehex;

String datameth = "03";//+ metvaluehex;

String datadiox = "04";//+ diovaluehex;

loraModule.sendDataHex(tempvaluehex); //Send HEX string

loraModule.sendDataHex(datatemp);

loraModule.sendDataHex(humvaluehex);

loraModule.sendDataHex(datahumd);

loraModule.sendDataHex(metvaluehex);

loraModule.sendDataHex(datameth);

loraModule.sendDataHex(diovaluehex);

loraModule.sendDataHex(datadiox);

//delay(10000);

}

}

76

ANEXO D. SCRIPT PYTHON DE CLIENTE MQTT

#!/usr/bin/python

from time import localtime,strftime,time

import paho.mqtt.subscribe as subscribe

import requests

import json

from datetime import datetime

import base64

from time import sleep

import time

topics = ['application/2/node/0004a30b001efd26/rx']

m = subscribe.simple(topics, hostname="lora.com.co", retained=False, msg_count=8)

def conversion(string):

out_data=string.decode('base64')

return str(out_data)

lista_decodificada=[]

for a in m:

json_string = a.payload

parsed_json = json.loads(json_string)

data_list=[]

data_list.append(parsed_json['data'])

b = parsed_json['data']

decimal=' '.join([ str(ord(c)) for c in b.decode('base64') ])

lista_decodificada.append(decimal)

def identificar(numero):

ww = lista_decodificada.index(numero)

dato=lista_decodificada[ww-1]

return dato

dato_temperatura=identificar('1')

dato_humedad=identificar('2')

dato_metano=identificar('3')

dato_dioxido=identificar('4')

lista_final=[dato_temperatura,dato_humedad,dato_metano,dato_dioxido]

file=open('variables.txt','w')

if lista_final[0] == dato_temperatura:

77

datot= dato_temperatura

file.write(str(datot))

file.write("\n")

url="https://bucket.usantotomas.edu.co/api/sensors/59c9238a7be12b496b19d8ff/captures?userToken=l9m0o1dempib0p6djerdu0a91t"

payload={"sensorId": "59c9238a7be12b496b19d8ff", "captureTypeName": "Temperature C", "value": datot, "captureDate": datetime.today().isoformat(" ")}

headers = {'Content-Type': 'application/json'}

r=requests.post(url, data=json.dumps(payload),headers=headers, verify=False)

print(datot)

if lista_final[1] == dato_humedad:

datoh= dato_humedad

file.write(str(datoh))

file.write("\n")

url="https://bucket.usantotomas.edu.co/api/sensors/59cc2ef97be12b496b19d933/captures?userToken=l9m0o1dempib0p6djerdu0a91t"

payload={"sensorId": "59cc2ef97be12b496b19d933", "captureTypeName": "Humidity %", "value": datoh, "captureDate": datetime.today().isoformat(" ")}

headers = {'Content-Type': 'application/json'}

r=requests.post(url, data=json.dumps(payload),headers=headers,verify=False)

print(datoh)

if lista_final[2] == dato_metano:

datom= dato_metano

file.write(str(dato_metano))

file.write("\n")

url="https://bucket.usantotomas.edu.co/api/sensors/59cc2f017be12b496b19d934/captures?userToken=l9m0o1dempib0p6djerdu0a91t"

payload={"sensorId": "59cc2f017be12b496b19d934", "captureTypeName": "Methane PPM", "value": datom, "captureDate": datetime.today().isoformat(" ")}

headers = {'Content-Type': 'application/json'}

r=requests.post(url, data=json.dumps(payload),headers=headers,verify=False)

print(datom)

if lista_final[3] == dato_dioxido:

datod= dato_dioxido

file.write(str(dato_dioxido))

file.write("\n")

url="https://bucket.usantotomas.edu.co/api/sensors/59cc2f2b7be12b496b19d935/captures?userToken=l9m0o1dempib0p6djerdu0a91t"

payload={"sensorId": "59cc2f2b7be12b496b19d935", "captureTypeName": "Carbon Dioxide PPM", "value": datod, "captureDate": datetime.today().isoformat(" ")}

78

headers = {'Content-Type': 'application/json'}

r=requests.post(url, data=json.dumps(payload),headers=headers,verify=False)

print(datod)

hora=strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S",localtime())

file.write(hora)

file.write("\n")

file.close()

79

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87

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Esquema metodológico del proyecto. ................................................................. 10Figura 2. Participación de los principales GEI en Colombia desde el año 1990 a 2004 .... 12Figura 3. Línea del tiempo de las normativas medioambientales a nivel internacional y

Colombia. ........................................................................................................................... 14Figura 4. Autoridades ambientales en relación con la calidad y el control de la

contaminación del aire en Colombia. ................................................................................. 19Figura 5. Niveles máximos permisibles para contaminantes criterio[23]. .......................... 21Figura 6. Concentración y tiempo de exposición de los contaminantes para los niveles de

Prevención, Alerta y emergencia[23]. ................................................................................ 22Figura 7. Arquitectura de una red de sensores inalámbricos WSN ................................... 27Figura 8. Procesos de un SVCA Manual. ........................................................................... 31Figura 9. Procesos de un SVCA Automático. .................................................................... 32Figura 10. Procesos de un SVCA Híbrido. ......................................................................... 32Figura 11. Nueva dimensión de comunicación que introduce el Internet de las cosas. ..... 34Figura 12. Arquitectura de tres capas de Internet de las cosas presentada por el IEEE. .. 34Figura 13. Arquitectura de bloques para una solución basada en IoT presentada por

Gartner. .............................................................................................................................. 35Figura 14. Arquitectura de red de vehículos de transporte público basada en LTE. ......... 38Figura 15. Sistema de transmisión de información por medio de etiquetas RFID. ............ 39Figura 16. Arquitectura de funcionamiento del sistema de monitoreo de la calidad del aire

en carreteras. ..................................................................................................................... 40Figura 17. Arquitectura del sistema de monitoreo de la calidad del aire y el agua

presentado en TELFOR 2016. ........................................................................................... 41Figura 18. Arquitectura del sistema de monitoreo ambiental del Instituto Dhirubhai Ambani

basado en IoT. ................................................................................................................... 42Figura 19. Marco conceptual de trabajo del sistema de bajo costo para el monitoreo

inalámbrico de la calidad del aire de la Universidad de las Fuerzas Armadas en Sangolqui,

Ecuador. ............................................................................................................................. 43Figura 20. Diseño del sistema de monitoreo ambiental bajo los principios del IoT. ........... 44Figura 21. Arquitectura del sistema basada en el modelo IoT de Gartner. ........................ 45

88

Figura 22. Tarjeta de procesamiento Dev Board utilizada para el envío de datos mediante

LoRaWAN. ......................................................................................................................... 47Figura 23. Circuito de integración de la Dev Board junto con los sensores ambientales. . 48Figura 24. Fragmento del archivo de programación de los sensores mediante el IDE de

Arduino y los correspondientes datos arrojados por los sensores. .................................... 49Figura 25. Ubicación de la antena y el Gateway de LoRaWAN en la terraza del edificio

Santo Domingo de la universidad Santo Tomás. ............................................................... 50Figura 26. Interfaz del servidor LoRa con las credenciales de la dev board utilizada. ...... 51Figura 27. Credenciales de identificación del dispositivo. .................................................. 51Figura 28. Interfaz del cliente MQTT.fx donde se visualizan los mensajes provenientes de

la tarjeta LoRaWAN ............................................................................................................ 52Figura 29. Diagrama de flujo del script cliente MQTT hecho en Python. ........................... 53Figura 30. Organización de la información dentro del repositorio Bucket. ......................... 53Figura 31. Información de temperatura publicada en Bucket desde el script de cliente

MQTT ................................................................................................................................. 54Figura 32. Interfaz de inicio de la aplicación web weot.usantotomas.edu.co. .................... 56Figura 33. Interfaz de datos ambientales donde se visualiza los valores reportados por la

tarjeta LoRa. ....................................................................................................................... 56Figura 34. Interfaz de ubicación del nodo de sensado ambiental. ..................................... 57Figura 35. Flujo de datos dentro de la capa de aplicación y relación con la capa de IoT

Platform repository. ............................................................................................................ 58Figura 36. Utilización de CPU de la maquina virtual para un período de una semana. ..... 59Figura 37. Proceso y tiempo de envío de datos. ................................................................ 60Figura 38. Comportamiento de la temperatura y humedad en el entorno de laboratorio. .. 61Figura 39. Niveles de concentración de Metano. ............................................................... 61Figura 40. Niveles de concentración de CO2. .................................................................... 62

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LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Comparativa entre los estudios de sistemas de monitoreo ambiental. ................ 36