Sistema Electrónico Portátil para el Monitoreo de
Gases Tóxicos en la Cabina de Vehículos mediante una Aplicación Móvil
Portable Electronic System for Monitoring
Toxic Gases in the Cabin of
Vehicles through a Mobile App
Mgtr. Oscar Ucchelly Romero Cortez https://orcid.org/0000-0002-7727-7900
RESUMEN
La presente investigación tuvo como objetivo diseñar e
implementar un sistema electrónico para el monitoreo de gases tóxicos en la
cabina de vehículos, el cual es un módulo de hardware que responde a la
necesidad de evitar que las personas se expongan a concentraciones elevadas de
gases tóxicos dentro del vehículo generadas por las autopartes internas del
vehículo. Para lograr este propósito se realizó de manera experimental el
diseño, utilizando la integración de tarjetas electrónicas como el módulo
Arduino, módulo GSM/GPRS, sensores electroquímicos y sensores de monitoreo
ambiental; además usando el lenguaje de programación C++ que permite una
organización modular de los distintos bloques de funcionamiento. El sistema de
acceso a información de los sensores electroquímicos para los gases de
formaldehido y benceno, así también los parámetros atmosféricos en la cabina
del vehículo, como la temperatura atmosférica, humedad relativa y la presión
barométrica; para procesar dicha información se utilizó el microcontrolador del
módulo Arduino, el cual permitió generar paquetes de datos IP, que son
transmitidos a través de la red celular, utilizando el módulo GSM/GPRS. Estos
paquetes de datos IP se almacenan en la nube de internet a través de la
plataforma ThingSpeak; de donde se accede en tiempo real a través de una
aplicación móvil desarrollada en Virtuino. Con las pruebas de campo realizadas
y analizadas a través de herramientas estadísticas, se llegó a determinar que
niveles de exposición de benceno estuvo entre bajo y moderado y los niveles de exposición
de formaldehido entre bajo y alto; con rangos de temperatura atmosférica
promedio para el nivel de exposición bajo de 32.55 °C y para el nivel de
exposición alto de 49.25 °C en la cabina del vehículo.
Palabras claves: Monitoreo de gases; Microcontrolador; GSM/GPRS; Aplicación
móvil.
ABSTRACT
The
present research aims to design and implement an electronic system for the
monitoring of toxic gases in the cabin of vehicles, which is a hardware module
that responds to the need to prevent people from being exposed to high
concentrations of toxic gases inside of the vehicle generated by the internal
auto parts of the vehicle. To achieve this purpose, the design was carried out
in an experimental way, using the integration of electronic cards such as the
Arduino module, GSM/GPRS module, electrochemical sensors and environmental
monitoring sensors; in addition, using the C++ programming language that allows
a modular organization of the different operating blocks. The system gives
access to information from the electrochemical sensors for formaldehyde and
benzene gases, as well as atmospheric parameters in the vehicle's cabin, such
as atmospheric temperature, relative humidity and barometric pressure; To
process this information, the microcontroller of the Arduino module is used,
which allows generating IP data packets, which are transmitted through the
cellular network, using the GSM/GPRS module. These IP data packets are stored
in the internet cloud through the ThingSpeak
platform; from where it is accessed in real time through a mobile application
developed in Virtuino.
With the field tests carried out and
analyzed through statistical tools, it was determined that the levels of
benzene exposure were between low and moderate and the levels of formaldehyde
exposure between low and high; with average atmospheric temperature ranges for
the low exposure level of 32.55 °C and for the high exposure level of 49.25 °C
in the vehicle cabin.
Keywords: Gas monitoring; Microcontroller; GSM/GPRS; Mobile app.
1.INTRODUCCION
La
contaminación del aire en interiores es producida generalmente por ciertos
materiales de construcción (Liang W. , 2020),
productos de limpieza, muebles de hogar, etc. pero más aún los productos
químicos que liberan gases y se filtran de las piezas internas de los
automóviles tales como volantes, tableros y asientos (Yang, et al. 2020); estos químicos pueden ser nocivos cuando se
inhalan o ingiere además de provocar graves impactos en la salud de las
personas como irritación de los ojos y la piel, dificultades respiratorias,
problemas reproductivos, problemas de aprendizaje y los riesgos de cáncer (Liang, et al. 2019). Los productos de limpieza pueden producir químicos corrosivos en
el aire; el cual puede causar diversos efectos respiratorios (Clausen et al., 2020).
La mayoría de las personas en las ciudades se
encuentran entre 12 y 18 horas de su día en ambientes interiores como oficinas
o vehículos en donde pueden estar expuestos a diferentes contaminantes de
diferentes fuentes (Mokalled et al., 2019).
Además con el rápido incremento del parque
automotor, la calidad del aire en la cabina de vehículos se ha convertido en
una preocupación para la salud pública; en donde se reportó que las personas
pasan en promedio el 5.5% de su vida en cabina de vehículos (Klepeis et al.,
2001).
Las personas que utilizan frecuentemente los automóviles ya sea para ir al trabajo,
recreación u otras actividades de viaje, están expuestos a un microambiente de
contaminantes (Moreno et al., 2019).
Uno de los
importantes contaminantes gaseosos para la salud humana son las emisiones de
compuestos orgánicos volátiles (COV) en
ambientes interiores, cuyas fuentes pueden atibuirse al ingreso desde el
exterior (Leung, 2015), quema de combustible (Sun, et al. 2019), emisiones de
los materiales del interior (Caron, et al. 2020) entre otros. Las emisiones de concentraciones
organicos volatiles COV de los materiales del interior de las cabinas de los
vehículos representan concentraciones significativas, especialmente en los
automóviles nuevos (Lv, et al. 2020).
Investigaciones
recientes examinaron las concentraciones de compuestos orgánicos volátiles (COV)
dentro de una cabina de vehículo simulada a escala de 3 m3, acondicionado
con materiales de un vehículo típico
como la tapicería del techo, alfombra y asiento; encontrando que el
acetaldehído tenía el nivel más alto en la concentración de fase gaseosa, así
como también la influencia de la temperatura cuando se incrementó de 25 °C a 65
°C; finalmente aplicó un modelo de fuentes múltiples para predecir los comportamientos
de emisión de compuestos orgánicos volátiles (COV)
en la cabina de vehículo simulada (Wang et al.,
2020).
La influencia de la temperatura en la cabina de vehículos totalmente cerrado y estacionado; obtuvo una tasa de emisión de compuesto orgánico volátil (COV) para ciertas especies como el 2-Etil-Hexanol, 5-Metilundecano y 3,8-dimetildecano; fueron en el verano de 71 a 182 veces más altas que las de invierno (Huang et al., 2020). Es decir proporciona evidencia directa de que la temperatura ambiente modifica los porcentajes de masa de las especies de compuestos orgánicos volátiles (COV) tanto en invierno como en verano (Niu et al., 2021).
En otra investigación sobre los compuestos orgánicos volátiles (COV) en la cabina de taxis, se tomó en cuenta la influencia de la edad, el modelo y el tipo de combustible del vehículo; en donde se medieron concentraciones de benceno, tolueno, formaldehido, etilbenceno, xileno (BTEX) y acetaldehido de cuatro modelos de taxi diferente, utilizando los métodos NIOSH 1501 (BTEX), 2541 (formaldehido) y 2538 (acetaldehido); encontrando concentraciones medias BTEX para todos los modelos de taxi, por debajo de los valores de referencia; pero en cambio las concentraciones de BTEX fueron significativamente más altas para la gasolina; en cuanto a la edad de los vehiculos afecto inversamente al formaldehido y al acetaldehido (Bakhtiari et al., 2018). Por ejemplo se informó que las concentraciones de benceno en el automovil eran 1.21 veces más alta que el límite aceptable de riesgo carcinogenico recomendado por la agencia de protección ambiental de EEUU, lo que provocó un aumento de la incidencia de cáncer de pulmón en los taxistas (Chen et al., 2016).
Los compuestos orgánicos volátiles (COV) como el benceno, tolueno, etilbenceno, xileno y el estirano se encuentran entre los contaminantes del aire más importantes en la cabina de los vehículos, además los compuestos de carbonilo como el formaldehído y el acetaldehído pueden contribuir significativamente a la contaminación del aire en la cabina del vehículo (Lu et al., 2016). Así como también estos contaminates atmosféricos nocivos en las cabinas de los vehículos pueden influir en la comodidad humana y tener un impacto negativo en la salud de las personas (Tong et al., 2018).
Así mismo lo compuestos orgánicos volátiles (COV) en un terminal de autobuses interurbanos se detectaron 19 contaminantes peligrosos en el aire; entre los principales compuestos se detectó al benceno, tolueno, etilbenceno y xileno (BETEX), lo cual contribuye aproximadamente el 70% de los contaminantes peligrosas del aire (Li et al., 2020).
Además también se analizó químicamente los compuestos orgánicos volátiles (COV) en el interior de autobuses turísticos encontrando al tolueno seguido del m-xileno, p-xileno, o-xileno, etilbenceno y benceno todos se encuentran por debajo del valor límite, es decir las concentraciones de COV son más bajas en los autobuses debido a que los son de mayor volumen en comparación que en los taxis (Fernandez et al., 2020).
También se realizaron estudios en el interior de unidades de transporte público para identificar y cuantificar contaminantes orgánicos persistentes; de esta manera se identificó a catorce compuestos orgánicos persistentes, de las cuales se detectaron al tolueno y el hexano con concentraciones muy altas; además se calculó la exposición potencial al riesgo para la salud de las personas de acuerdo con la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos; en donde resultó que los xilenos son el contaminante orgánico más representativo que genera un mayor riesgo para la salud de las personas en el bus (Gastelum et al., 2020).
Además en la investigación de (Mondal et al., 2015) describen el
reconocimiento cuantitativo de gases inflamables y tóxicos; el sistema utiliza
un modelo basado en una red neuronal artificial para reconocer y clasificar los
gases en concentraciones críticas. Por otro lado se describe la evaluación de
riesgos para la salud y distribución de fuentes de compuestos orgánicos
volátiles (COV) dentro de las cabinas de vehículos nuevos; el estudio permitió
evaluar el riesgo para la salud humana e identificar la fuente dominante de
COV, teniendo a la alfombra como la fuente más importante de COV en la cabina
del vehículo (Liang et al., 2019).
En un estudio para la categorización en la evaluación de la calidad del
aire en la cabina del automóvil se utilizaron indicadores como: las condiciones
térmicas (temperatura y humedad relativa), intercambio de aire (concentración
de CO2) y la frescura del aire (contenido de compuestos orgánicos
volátiles en el aire de la cabina del automóvil); en donde cada indicador
estuvo compuesta por tres categorías (bueno, intermedio y malo) (Szczurek et
al., 2016).
También en una investigación se propuso un sistema de detección de gases
como el monóxido de carbono y el oxígeno en la cabina de los vehículos a través
de mensajes de texto a un teléfono móvil con tecnología GSM, tomando como
condición, cuando se cumpla que la concentración de monóxido de carbono se
encuentre por encima del nivel normal de
30 ppm o cuando el nivel de oxigeno se encuentre por debajo del 19% (Ramya et
al., 2012).
En países en vía desarrollo como Perú, aún no se han realizado estudios
sobre la exposición a compuestos orgánicos volátiles (COV) en el interior de
los vehículos, después de haber aplicado productos de limpieza en los centros
de lavado de automóviles; más aún no existen regulaciones especificas asociadas
a los valores límite de exposición a los compuestos orgánicos volátiles (COV)
en dicha actividad.
El objetivo de este trabajo de investigación fue (i) Caracterizar las principales sustancias peligrosas encontradas en el interior del vehículo después de la aplicación de productos de limpieza. (ii) diseñar un sistema automático de múltiples sensores electroquímicos y un algoritmo de categorización de datos pueden proporcionar al conductor y a los pasajeros información completa sobre la calidad del aire en la cabina del vehículo. (iii) desarrollar una aplicación móvil que cumpla dos funciones: (1) un sistema de monitoreo en tiempo real de las concentraciones de sustancias tóxicos (formaldehido y benceno) y variables climáticas (temperatura atmosférica, humedad relativa y presión barométrica) en el interior del vehículo. (2) mostrar los niveles de exposición de agentes químicos a los ocupantes de la cabina del vehículo. Se justifica por el interés de emplear la tecnología de la electrónica en enviar datos remotamente sobre las concentraciones de gases tóxicos que es un problema latente en el interior de la cabina del vehículo y se plantea la implementación de un nuevo equipo electrónico como parte del tablero electrónico del vehículo. Además del beneficio económico que resultará del ahorro de gastos por enfermedad o consulta médica debido a intoxicaciones que se producirían.
Como hipótesis se plantea que al implementar un sistema electrónico para el monitoreo de gases tóxicos en la cabina del vehículo, se logrará mostrar de manera remota los niveles de exposición de agentes químicos como el benceno y el formaldehído como medida para evitar problemas a la salud de las personas que hacen uso de vehículos.
2. MATERIALES Y MÉTODOS
2.1
Objeto de Estudio
El objeto de
estudio está constituido por la concentración de gas tóxico en la cabina del
vehículo Kia Cerato Hatchback 2017, producto de la adherencia de agentes
químicos principalmente como el benceno y el formaldehido en las autopartes
internas del vehículo como: el volante, la palanca de cambios, reposabrazos,
tablero de instrumentos, tapizado del techo, alfombra, asientos, moldura de
puerta duras y blandas, por la utilización de materiales de limpieza para
vehículos como limpiador de alfombras y tapicería, abrillantador para
plásticos, acondicionador de cueros y limpiador de interiores.
2.2
Instrumentación
Para la
captura de la concentración de gases tóxicos se utilizó sensores
electroquímicos como el MQ135 para el benceno y el MQ138 para el formaldehído.
Para la
medición de la temperatura atmosférica y la humedad relativa se utilizó el
sensor DHT11 y para la presión barométrica se utilizó un sensor BMP180.
Para el
procesamiento de datos e integración del sistema electrónico se utilizó la
placa Arduino UNO basado en un microcontrolador ATMEL de código ATmega328P y
para el envío de datos inalámbricos mediante la red celular se utilizó la
tarjeta electrónica SIM908.
Para la
fuente de alimentación se utilizó una batería de 12V, 7AH y una tarjeta
electrónica LM2596DC-DC para regular el voltaje de corriente continua a 5V.
Para el
monitoreo remoto y el desarrollo de la aplicación móvil se utilizó un celular
de la marca Huawei, modelo Y7 con sistema operativo Android.
Para el
almacenamiento y recuperación de datos se empleó la plataforma de Internet de
las cosas ThingSpeak.
Para la
creación de la interfaz gráfica hombre máquina (HMI) se desarrolló una
aplicación móvil en el celular a través de la plataforma Virtuino.
Para la
calibración del sistema electrónico implementado se utilizó un equipo monitor
de calidad del aire para benceno, formaldehido, TVOC, temperatura atmosférica y
humedad relativa de la marca OOTDTY, modelo DT002.
2.3
Métodos y Técnicas
Para lograr
los objetivos de la investigación:
- Se analizó las especificaciones
técnicas de tarjetas electrónicas procesadoras de información
(microcontroladores) y componentes electrónicos para seleccionar los equipos y
materiales idóneos a ser usados en el diseño del sistema.
- Se diseñó un circuito electrónico
para el sistema de medición y procesamiento a partir de los sensores para las
variables climáticas (temperatura atmosférica, humedad relativa y presión
barométrica) y los sensores electroquímicos (formaldehído y benceno).
- Se diseñó un circuito electrónico
para el sistema de transmisión y almacenamiento en la nube de internet a partir
de una tarjeta electrónica GSM/GPRS/GPS de comunicación inalámbrica para enviar
datos y la plataforma de internet ThingSpeak para almacenar los datos.
- Se diseñó un circuito electrónico
regulador de energía para la alimentación eléctrica del sistema electrónico.
- Se integraron los circuitos
electrónicos para configurar el sistema que cumpla con el objetivo de la
investigación.
- Se configuró la plataforma de
internet ThingSpeak para almacenar y recuperar datos de los objetos usando el
protocolo HTTP sobre internet.
- Se desarrolló una aplicación móvil
para ejecutarse en los Smartphone y visualizar los datos de manera remota
mediante la plataforma Virtuino.
- Se probó el sistema en conjunto con
el sistema electrónico y su aplicación móvil para verificar su correcto
funcionamiento.
- Se realizaron pruebas de campo con el
sistema electrónico para validar la portabilidad del sistema.
En la
siguiente figura 2.1 se muestra el diagrama de bloques del modelo metodológico
para el diseño e implementación del sistema electrónico para el monitoreo de
gases tóxicos:
Figura 2.1
Modelo Metodológico para el diseño e implementación del
sistema electrónico.
2.3.1
Diseño del sistema electrónico
Para el diseño del sistema se seleccionaron los sensores para
el registro de variables ambientales, sensores electroquímicos, tarjeta
electrónica GSM/GPRS/GPS de comunicación
inalámbrica, tarjeta reguladora de voltaje y la placa Arduino Uno; todas
ellas descritas en la sección instrumentación. Luego dichos sensores y tarjetas
electrónicas se acoplaron y controlaron en una plataforma de creación de
prototipos electrónicos de código abierto Arduino Uno. El sistema electrónico implementado
está compuesto de tres partes: (i) fuente de energía, (ii) sistema de medición
y procesamiento (variables climáticas y concentración de gases tóxicos), (iii)
transmisión y almacenamiento de datos en la nube de internet. Los sensores
utilizados son analógicos y digitales, para ello se utilizaron los puertos
adecuados del sistema electrónico Arduino. Para el envío de comandos de control
y para la transmisión inalámbrica de información se realizó a través de la tarjeta
electrónica SIM908 (GSM/GPRS/GPS), en donde se implementó una comunicación
serial, vía los pines de transmisión y recepción (Tx y Rx). La alimentación eléctrica
de los sensores de variables climáticas se realizó desde los pines de 5V y GND
(tierra) implementados en la placa Arduino Uno; pero para la alimentación
eléctrica de los sensores electroquímicos encargados de capturar de las
concentraciones de gases tóxicos, se utilizó un convertidor de voltaje LM2596DC-DC
para obtener 5V a partir de una batería de 12V, 7AH; el cual también permitió
alimentar al sistema de control de la placa Arduino Uno y la tarjeta
electrónica SIM908 (GSM-GPRS-GPS). En la figura 2.2 se muestra un diagrama que
describe la conexión entre los diferentes elementos del sistema electrónico
implementado.
Se utilizó un módulo SIM908 (GSM-GPRS-GPS) para transmitir
los datos capturados y procesados a través del internet desde cualquier lugar
en donde se tenga cobertura de red celular. Para almacenar y recuperar los
datos transmitidos en tiempo real, se creó un canal en la plataforma ThingSpeak
con el nombre Monitoreo Gases, en donde se generó campos gráficos para la temperatura
atmosférica, humedad relativa, presión barométrica, concentración de benceno y
concentración de formaldehido; para
luego observar dichos datos en tiempo real a través de un teléfono móvil, en
donde se desarrolló una aplicación móvil mediante la plataforma Virtuino
mostrando principalmente los niveles de exposición de agentes químicos como el benceno y formaldehido.
Figura 2.2
Diagrama de conexiones de los componentes del sistema
electrónico.
2.3.2
Calibración y Validación de Información Obtenida de Sensores
Se
recolectaron muestras de tres pruebas de campo en la cabina del vehículo, para
calibrar los sensores de las variables climatológicas como la temperatura
atmosférica, humedad relativa, presión barométrica y los sensores
electroquímicos para el benceno y el formaldehído. Con los datos obtenidos a
través del prototipo de sistema electrónico implementado y un equipo base
calibrado, para realizar una cuantificación de cada sensor para cada intervalo
de la prueba de campo. Se realizó un modelo de regresión exponencial, donde se
verificó la normalidad de los residuales, la homocedasticidad de las varianzas
residuales y la correlación de los residuales mediante las pruebas de
Shapiro-Wilk, Levene y Durbin-Watson respectivamente. El modelo más simple que
mejor se ajusta a los datos fue el modelo que presentó valores mínimos del
criterio de información de Akaike (AIC), coeficiente de correlación (r) y
determinación (R2) y valor p, calculado utilizando el programa SPSS
V23. Para cada prueba de campo, se seleccionó el mejor modelo y se integró al
algoritmo del sistema electrónico de procesamiento de datos, con el objetivo de
cambiar la señal analógica de los sensores a valor digital en la plataforma
ThingSpeak.
Los datos
obtenidos a través de los sensores del sistema electrónico implementado fueron
validados con el equipo de medición de la marca OOTDTY, modelo DT002. Este
proceso se realizó en la cabina del vehículo Kia Cerato Hatchback 2017, en tres
pruebas de campo en función de la medición de la temperatura atmosférica,
humedad relativa y presión barométrica; en cada una de las pruebas de campo se
tomaron 46 datos (campo 1), 49 datos (campo 2) y 38 datos (campo 3) con los dos
sistemas (Equipo base y Equipo prototipo). Los datos obtenidos del equipo base
medidor de benceno y formaldehído y el equipo prototipo monitor de
concentración de benceno y formaldehído (variables dependiente) se estimaron en
función de los datos obtenidos de los sensores electroquímicos para el benceno
MQ135 y para el formaldehído MQ138 (variable dependiente). Dado que los
sensores usados expresan los datos medidos en forma digital y los datos
obtenidos mostraron un buen ajuste con respecto a las lecturas tomadas con los
instrumentos de control (equipo base), no fue necesario realizar curvas de
calibración para el procesamiento de datos en la plataforma ThingSpeak.
2.3.3
Sistema de Advertencia Temprana de Gases Tóxicos
La
información sobre los principales agentes químicos tóxicos causales de
contaminación en interiores de vehículos, es decir el formaldehído y el
benceno, que representan aproximadamente alrededor del 72% (Liang et al., 2019).
La conferencia Estadounidense de higienistas industriales gubernamentales
(ACGIH) promovió protección a los trabajadores proporcionando información
científica oportuna, centrado en una variedad de temas como el TLV (Umbral
Limite de Valor) de sustancias químicas, utilizado para el sistema de
advertencia temprana de gases tóxicos; utilizando como umbral los valores
límites para exposiciones de corta duración (TLV-STEL), para el benceno y el
formaldehído tal como se aprecia en la tabla 2.1.
Tabla 2.1
Rango de valores límites de
exposición de corta duración TLV-STEL.
TLV - STEL |
Nivel de Exposición |
Benceno |
Formaldehído |
||
mg/m3 |
Ppm |
mg/m3 |
ppm |
||
Muy Alto |
> 8 |
> 2.5 |
> 0.37 |
> 0.3 |
|
Alto |
< 4.7 a 8 ≥ |
< 1.5 a 2.5 ≥ |
< 0.2 a 0.37 ≥ |
< 0.15 a 0.3 ≥ |
|
Moderado |
< 0.8 a 4.7 ≥ |
< 0.25 a 1.25 ≥ |
< 0.04 a 0.2 ≥ |
< 0.03 a 0.15 ≥ |
|
Bajo |
≤ 0.8 |
≤ 0.25 |
≤ 0.04 |
≤ 0.03 |
Las variables
climáticas utilizadas fueron la temperatura atmosférica, humedad relativa y
presión barométrica las cuales fueron cuantificadas como se describió
anteriormente (diseño del sistema electrónico). Los sensores se instalaron en
el equipo prototipo implementado y este a su vez se instaló en el interior del
vehículo Kia Cerato Hatchback 2017, dado que en el interior de la cabina del
vehículo se generara un microclima peligroso, donde se produce la contaminación
por gases tóxicos. Además la correlación entre las variables climáticas y los
sensores electroquímicos se determinó mediante los coeficientes de Pearson
calculados con el software SPSS.
2.3.4
Visualización de Información sobre el Sistema de Advertencia de Gases
Tóxicos
Se
desarrollaron dos interfaces para que las personas pudieran acceder fácilmente
a la información, la primera a través del canal de la página web ThingSpeak y
la segunda a través de una aplicación móvil para celular Virtuino. En estas
interfaces las personas pueden monitorear en tiempo real las variables
climáticas y las concentraciones de gas tóxico. Además el equipo prototipo
captura, procesa y envía los datos por HTTP a la plataforma ThingSpeak
indicando su APIKey que permitió identificar el canal tanto para la plataforma
ThingSpeak y la aplicación Virtuino. En ambas interfaces se muestra
gráficamente las señales de las variables climáticas y la concentración de
benceno y formaldehído.
2.3.5
Validación de la Información Generada en el Sistema de Advertencia
Temprano de Gases Tóxicos
Para la validación de los datos generados en el sistema electrónico implementado, se realizó un análisis de regresión como se describió anteriormente para determinar la capacidad de predicción del modelo implementado en el algoritmo del sistema electrónico al compararlo con datos reales cuantificados a través del equipo base de la marca OOTDTY, modelo DT002 ubicado en la cabina del vehículo Kia Cerato Hatchback 2017. Los análisis se realizaron utilizando el programa SPSS.
3. RESULTADOS
3.1
Diseño del sistema electrónico
Para el
diseño del sistema electrónico se implementó la etapa de hardware y software.
Para la etapa de hardware se utilizó la tarjeta Arduino Uno, la tarjeta SIM908,
la tarjeta LM2596, los sensores DHT11, BMP180, MQ135 y MQ138; en base a ello y
con un diagrama de conexiones se obtuvó el circuito esquemático del sistema
electrónico, mostrado en la figura 3.1.
Figura 3.1
Circuito esquemático del sistema
electrónico de monitoreo de gases tóxicos.
Para la etapa de software
se desarrolló un algoritmo en la plataforma de código abierto Arduino que
permitió controlar el sistema electrónico utilizando la lógica que se muestra
en el siguiente diagrama de flujo de la figura 3.2. El algoritmo implementado
en el microcontrolador empieza con la configuración de los puertos de
comunicación de entrada y salida así como la velocidad transmisión de datos
entre la tarjeta Arduino Uno y el módulo SIM908; en seguida realiza la
configuración del proveedor de servicio de internet (ISP), luego realiza la
lectura de los sensores de las variables climáticas y electroquímicos. Se
procesan los datos obtenidos, así como la validación, en caso que el dato
capturado se encuentre fuera del rango, se descarta y regresa a la lectura de
datos de los sensores; en caso de ser correctos los datos, se procedió a
realizar una adaptación de datos para la plataforma ThingSpeak; finalmente se
envían los datos a la plataforma ThingSpeak para su visualización en su página
web y también a través de la aplicación para celulares Virtuino. En base a ello
se diseñó e implementó el prototipo del sistema electrónico de monitoreo para
gases tóxicos, el cual se muestra en la figura 3.3.
Figura 3.2
Diagrama de flujo del algoritmo de
control del sistema electrónico.
Figura 3.3
Prototipo del sistema electrónico de
monitoreo para gases tóxicos.
3.2
Calibración de Información Obtenida
de Sensores
Para la calibración del sensor de temperatura atmosférica, se realizó una curva de calibración utilizando los datos obtenidos por el sensor analógico. Los modelos lineales explicaron 98.8%, 99.1% y 98.6% del coeficiente de determinación (p < 0.05), además de una correlación 0.994, 0.995 y 0.993 para las pruebas de campo 1, campo 2 y campo 3 respectivamente (Figura 3.4). Con estos resultados se obtuvo la temperatura atmosférica (valores digitales) con base a la ecuación generada con estos modelos (Figura 3.4). Para la calibración del sensor electroquímico de formaldehído, los modelos lineales explicaron 99.9%, 99.9% y 100% del coeficiente de determinación (p<0.05), además de una correlación de 0.99, 0.99 y 1 para las pruebas de campo 1, 2 y 3 respectivamente (Figura 3.5). Para la calibración del sensor electroquímico de benceno, los modelos lineales explicaron el 100% del coeficiente de determinación (p<0.05), además de una correlación de 1 para las pruebas de campo 1, 2 y 3.
Figura 3.4
Calibración del sensor de temperatura
atmosférica.
Figura 3.5
Calibración del sensor de
formaldehído.
Figura 3.6
Calibración del sensor de benceno.
3.3
Desarrollo del Sistema de Alerta
Temprana de Gases Tóxicos
La
información de predicción de cada modelo seleccionado para cada sensor
electroquímico de Formaldehído y Benceno, se integró el valor residual para el
ajuste correspondiente de sus valores de concentración, para el desarrollo y
programación del sistema de alerta temprana, los resultados obtenidos se
representaron por niveles de exposición.
Usando cinco
campos de interfaces desarrolladas para el registro de datos sin procesar
(plataforma Web ThingSpeak o la aplicación Virtuino), procesamiento y
respuesta; las personas usuarias de automóviles haciendo uso de las recomendaciones del sistema, para probar
su aplicabilidad práctica en las condiciones del trabajo de campo. La
participación de las personas fue crucial para mejorar la confiabilidad del
sistema y al mismo tiempo, se verificó y confirmó la salida del sistema (figura
3.7 y figura 3.8).
Figura 3.7
Sistema de alerta temprana de gases
tóxicos.
Figura 3.8
Plataforma Web ThingSpeak.
3.4
Trabajo de campo con el Sistema de
Monitoreo de Gases Tóxicos
El sistema
electrónico se instaló en el interior del automóvil KIA Cerato de año de
fabricación 2017 tal como se muestra en la figura 3.9. Los datos obtenidos a
través de los trabajos de campo, a través del sistema electrónico y almacenado
en la plataforma ThingSpeak, fueron procesados con el software estadístico
SPSS, en donde se realizó la prueba de normalidad, mediante la prueba de
Kolmogorov-Smirnov, obteniendo la no normalidad de los datos procesados (tabla 3.1).
Tabla 3.1
Prueba de Normalidad de las variables
del sistema electrónico.
|
Kolmogorov-Smirnov |
||
Estadístico |
N |
p |
|
Temperatura |
0.113 |
137 |
0 |
Benceno (M135) |
0.098 |
137 |
0 |
Formaldehido (MQ138) |
0.215 |
137 |
0 |
Figura 3.9
Sistema electrónico de monitoreo
instalado en el interior del automóvil.
Por otro lado
se determinó el nivel de exposición para las personas en el interior del
vehículo, según las pruebas de campo realizadas, encontrando niveles de
exposición de benceno entre baja y media y niveles de exposición de
formaldehido entre baja y alta (tabla 3.2). Así mismo se clasificó en
intervalos de clase los niveles de exposición obtenidos según las pruebas de
campo realizadas (tabla 3.3) (Figura 3.10)
Tabla 3.2
Niveles de exposición registrado en las
pruebas de campo.
|
Niveles de Exposición |
Temperatura |
||
|
N |
Media |
DS |
|
Benceno (MQ135) |
Bajo |
115 |
36.83 |
7.60 |
|
Moderado |
22 |
54.41 |
6.17 |
Formaldehido (MQ138) |
Bajo |
22 |
32.55 |
8.78 |
|
Moderado |
101 |
39.88 |
9.30 |
|
Alto |
14 |
49.25 |
5.68 |
Tabla 3.3
Niveles de exposición según las pruebas
de campo.
|
|
Benceno |
Formaldehido |
|||
|
|
Bajo |
Moderado |
Bajo |
Moderado |
Alto |
Pruebas |
Campo 1 |
38 |
8 |
8 |
35 |
3 |
Campo 2 |
40 |
13 |
5 |
46 |
2 |
|
Campo 3 |
37 |
1 |
9 |
20 |
9 |
Figura 3.10
Intervalo de clase de los niveles de
exposición de Benceno en las pruebas de campo.
Figura 3.10
Intervalo de clase de los niveles de
exposición de Formaldehido en las pruebas de campo.
4. discusión
Se han
desarrollado sistemas electrónicos de bajo costo para aplicaciones en la
detección y monitoreo de gases en ambientes cerrados, como la detección de
monóxido de carbono, oxigeno, dióxido de azufre, dióxido de carbono, metano,
hidrogeno, propano, butano y otras combinaciones (Ramya et al., 2012; Chong, Leal et al., 2017; Cisneros & Méndes, 2019),
pero no cuentan con un sistema de transmisión y alerta en tiempo real
utilizando aplicaciones móviles.
El despliegue
de estos sistemas electrónicos de bajo costo para ambientes cerrados y sobre
todo habitables será una ventaja para predecir los niveles de gases tóxicos a
través de categorías: bueno, intermedio y malo (Szczurek et al., 2016), mientras que el sistema
implementado muestra los niveles de exposición: bajo, moderado, alto y muy alto
según los rangos de los límites de exposición de corto plazo (TLV-STEL) de
acuerdo a la conferencia Estadounidense de higienistas industriales gubernamentales,
proporcionando información científica para proteger a las personas. En la
presente investigación se implementó un dispositivo de bajo costo con sensores
para el monitoreo de gases tóxicos, que fue utilizado para la implementación de
un sistema de alerta temprana, para predecir lesiones por inhalación y por
consiguiente evitar gastos por tratamiento médico.
La detección
temprana de gases tóxicos es un paso crucial para salvar la vida de muchas
personas a través de mecanismos tecnológicos como el envío de mensajes de texto
a un teléfono móvil con tecnología GSM (Ramya et al., 2012); Sin embargo, con el avance de la
tecnología, hoy en día se cuenta con plataformas en la nube de internet, que
permite enlazar a los teléfonos móviles inteligentes y visualizar a través de
una aplicación móvil, la detección temprana de gases tóxicos. La mayoría de los
sistemas de detección temprana de gases tóxicos son costosos, engorrosos para
el manejo por parte de los usuarios y no lo suficientemente versátiles para su
uso en diferentes ambientes de trabajo y condiciones ambientales (Chacarrex, 2021). Además, la mayoría de las investigaciones en la detección de gases
tóxicos en ambientes cerrados se han realizado en países desarrollados con
clima diferente al de Perú (Niu et al., 2021).
El sistema
electrónico diseñado en el presente trabajo, cumple con varias características
requeridas para monitorear gases tóxicos de manera precisa y moderna para la
alerta temprana hacia las personas. El sistema electrónico diseñado para la
medición y transmisión de datos fue eficaz en la captura de gases tóxicos a
través de sensores electroquímicos de
bajo costo en comparación con los sensores de uso industrial (75% más
barato). El sistema electrónico diseñado para la captura, procesamiento de
datos, transmisión y almacenamiento mostró ventajas en comparación con otros
sistemas como: i) Bajo costo. ii) Flexibilidad en la plataforma Arduino UNO
para el uso de sensores analógicos y digitales. iii) Calibración de sensores en
condiciones ambientales reales de la cabina de vehículos. iv) Uso de la web
como plataforma para la recepción, almacenamiento y administración de la
información, permitiendo una gran capacidad de almacenamiento, velocidad de
procesamiento y fácil acceso para monitoreo en tiempo real. v) Al estar basado
en un código fuente abierto, el sistema puede integrarse a otros sensores y
modelos para el manejo de otras aplicaciones.
El sistema de
alerta temprana y la plataforma de visualización (la web ThingSpeak y la
aplicación Virtuino) son fáciles de usar de tal manera que las personas puedan
participar activamente en el sistema, lo que lleva a un monitoreo más eficiente
para las cabina de automóviles. El sistema puede ser útil para realizar
trabajos de contingencia y planificación para la prevención y manejo oportuno
en la cabina del vehículo.
La innovación
tecnológica es fundamental para afrontar los grandes retos de la detección y
alerta temprana de gases tóxicos en la industria automovilística durante las
próximas décadas. Los nuevos equipos electrónicos destinados a su uso en la
cabina de automóviles deben ser de bajo
costo, útiles, efectivos, eficientes, versátiles en diferentes entornos y
fáciles de usar para las personas. El sistema electrónico diseñado en el
presente trabajo cumple con estas premisas para ayudar en la prevención y
alerta temprana de gases tóxicos en la cabina del vehículo, el problema hoy en
día son los gases tóxicos generados por la utilización de productos químicos en
la limpieza y mantenimiento de autopartes de la cabina del vehículo (Yang, et al. 2020; Clausen et al., 2020).
La integración de electrónica, modelado estadístico, procesamiento de datos,
tecnología de la información, datos ambientales, información sobre el
reglamento de valores límites permisibles para agentes químicos, ha demostrado
ser útil en una aplicación de fácil uso por parte de las personas que hacen uso
de los automóviles, para la prevención y alerta temprana de gases tóxicos en la
cabina del vehículo. El uso masivo de la tecnología es de suma importancia para
alcanzar el objetivo de reducir la contaminación atmosférica en interiores.
5. conclusIONEs
El sistema electrónico
de monitoreo de gases tóxicos para la alerta temprana desarrollado en el
presente trabajo fue efectivo para predecir los agentes tóxicos como el benceno
y el formaldehido en la cabina del vehículo; además el sistema es fácil de usar
y de bajo costo con potencial para un uso masivo por parte de las personas que
hace uso de los automóviles.
Se concluye
que a través de la implementación del sistema electrónico de monitoreo de gases
se determinó que a medida que aumenta la temperatura en el interior del
vehículo también aumenta la concentración de gases de formaldehido y benceno,
es decir las curvas de temperatura y la de los sensores electroquímicos van
variando directamente proporcional.
Se comprobó de manera estadística utilizando el software SPSS que los datos recolectados en las pruebas de campo resultaron niveles de exposición de benceno entre bajo y moderado y niveles de exposición de formaldehido entre bajo y alto, para las personas en el interior del vehículo.
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7. anexos
Figura 1
Autoparte de Plástico de un Vehículo.
Figura 2
Instalación del sistema electrónico
en el recinto de vidrio para su calibración
Figura 3
Instalación del sistema electrónico
en un vehículo para el trabajo en campo
Figura 4
Instalación del banco de batería de
corriente continua en el vehículo
Figura 5
Algoritmos en MATLAB para la
Importación de Datos de la Aplicación ThingSpeak
8. FIRMA DE AUTOR
Oscar Ucchelly Romero Cortez Autor de Tesis