Sistema de telemedición de calidad del aire para la visualización en tiempo real de una red de dispositivos compactos.
Sector de la técnica
El área científica al que corresponde la invención es al de Tecnología del Medio Ambiente, eficiencia energética y telecomunicaciones. La invención va dirigida a la medición de la Calidad del Aire en sectores concretos como son: la industria, la construcción, el transporte, la agricultura y ganadería o el sector residencial, comercial e institucional para satisfacer los planes sectoriales de Calidad de Aire y Protección de la Atmosfera.
Según la Comisión Europea, para cumplir el mandato establecido en el Sexto Programa de Acción Ambiental, se fija como objetivo "alcanzar niveles de calidad del aire que no den lugar a riesgos o efectos negativos Significativos en la salud humana o el medio ambiente" Por tanto, la invención es posible aplicarla en todo tipo de espacios, en especial en ciudades, espacios protegidos o puntos donde la contaminación atmosférica es alta debido a la presencia de una concentración de actividad industrial y es, de especial interés para los distintos organismos gubernamentales De igual forma es posible aplicarlo para realizar vigilancia ambiental mediante el despliegue de una red de dispositivos o su inclusión en drones. También es aplicable a entidades privadas para controlar sus propias emisiones para cumplir con la normativa vigente.
Antecedentes de la invención
Para la determinación del estado de la técnica de los sistemas de medición de la calidad del aire se han analizado los siguientes documentos.
US 2004/0050188 A1: La invención consiste en un dispositivo portable para incorporar un sensor que puede llegar a ser hasta una cámara y envía los datos vía PCMCIA, una tecnología ya anticuada, dependiendo además de una red Ethernet o WiFi cercana. Añade la opción de guardar los datos recogidos para su posterior volcado en una computadora.
Las siguientes invenciones recogidas en los documentos US 7302313B2, US 2013/0278427 A1 y CN 203949696 U incorporan sensores y envían los datos de forma inalámbrica, pero la tecnología que usa es punto a punto mediante redes de banda ancha GSM/GPRS o a través de bluetooth a computadoras o bluetooth comunicando con el teléfono para su posterior alojamiento en el servidor de datos.
WO/2009/114626 A3 describe una invención, similar a las anteriores debido a que usa la tecnología inalámbrica. Sin embargo, proporciona un esquema de servidor para la visualización de los datos a tiempo real valida aunque con una arquitectura distinta a la invención propuesta.
W0/2002/041095 A1 propone un sistema para monitorizar y ajustar la calidad de aire en interiores y minimizar el coste de aire acondicionado. La propuesta la ejecuta mediante una red de área local para comunicar el sistema con la computadora.
WO/2016/005805 propone una tarjeta para insertar varios sensores de distinto tipo y, al igual que nuestra invención, utiliza tecnología ZigBee para transmitir los datos mediante una red en malla. Sin embargo el uso del mismo es distinto puesto que se enfoca en un
sistema de alarma para alertar a trabajadores que se encuentran trabajando en espacios con condiciones laborables adversas.
Explicación de la invención
La invención consiste en el despliegue de una red de sensores para medir los parámetros medioambientales mediante el diseño y desarrollo de dispositivos compactos de telemedición de la calidad del aire incorporados en puntos móviles o fijos.
A los dispositivos compactos de telemedición empleados se le dió originalmente el nombre de USAB (cuyas siglas significan Unidad Sensorial Adaptada a la Bicicleta) debido a que su desarrollo ha tenido lugar como resultado del proyecto ECOBICI. Posteriormente se ha demostrado que estos dispositivos son de aplicación acoplándolos a cualquier medio físico móvil y por supuesto a cualquier elemento fijo. Cada uno de estos dispositivos constituye el final en la red inalámbrica y transmite la información de los sensores que incorpora con la frecuencia temporal que se considere oportuna (en las pruebas oficiales se fijó en 10 segundos) En adelante, en esta memoria se denominará a estos dispositivos como dispositivos finales.
La red la incorpora un dispositivo denominado coordinador que se encarga de recibir todos los paquetes de datos enviados por los dispositivos finales y transmitirlos hacia el servidor WEB mediante tecnología Wifi o vía Ethernet para su posterior alojamiento en el mismo.
La citada red se complementa con los repetidores de serial, encargados de asegurar que dichos datos lleguen de los dispositivos finales al coordinador en tiempo real aún cuando no exista visibilidad directa entre los dispositivos finales y coordinador.
El esquema de servidor web ha sido debidamente diseñado para poder adaptar o compartir la información generada de forma óptima en cualquier sistema de visualización o base de datos del cliente.
Para ello se ha dividido la estructura en tres instancias: una para el servidor de base de datos, otra para la aplicación web (API web) y la última para el servidor donde se implementan los servicios web y algoritmos para la conexión de los datos con los mapas.
Según lo anterior:
- En los servicios WEB está alojado el programa que integra toda la información recogida por los dispositivos finales De esta forma se asegura que toda la información sea tratada en un solo punto Simplificando la aplicación de Android.
- La información es guardada en el servidor de base de datos especial creada para tal efecto.
- Mediante otro servidor WEB se realizan consultas hacia los servicios web para obtener la información a visualizar en los mapas e informes creados para ello.
Finalmente, el usuario podrá tener acceso a la información a través de una aplicación WEB (API WEB) o una aplicación (APP) móvil desarrollados a tal efecto.
Breve descripción de los dibujos
Figura 1: Esquema parcial del sistema de telemedición de calidad del aire para la visualización en tiempo real de una red de dispositivos compactos En el se distingue:
D1 a Dn: Dispositivos finales.
R1 a Rn: Repetidores
C: Coordinador
S: Servidor
Figura 2: Esquema completo del sistema de telemedición de calidad del aire para la visualización en tiempo real de una red de dispositivos compactos.
Realización preferente de la invención
Los pasos necesarios para la puesta en marcha de la invención, suponiendo que existan vanos dispositivos compactos presentes en el sistema, son:
1. Fabricación de las placas de circuito impreso.
2. Montaje de los componentes mediante soldadura en las placas de circuito impreso.
3. Test de cada uno de los dispositivos finales para comprobar el funcionamiento de los mismos.
4. Configuración de cada dispositivo USAB que conlleva:
Precarga del código USAB en microcontrolador.
Configuración dispositivo inalámbrico con los parámetros adecuados para su introducción en la red en malla que se va a formar.
5. Configuración del dispositivo coordinador que conlleva:
Precarga del código Coordinador en microcontrolador.
Configuración dispositivo inalámbrico con los parámetros adecuados para su introducción en la red en malla que se va a formar.
6. Configuración del dispositivo inalámbrico de los repetidores de señal para su introducción en la red.
7. Test de comunicación de cada uno de los dispositivos finales con el coordinador para comprobar la correcta transmisión y recepción de los paquetes de datos.
8. Encapsulado de los dispositivos finales.
9. Instalación de los distintos dispositivos en los emplazamientos designados en el proyecto correspondiente.
10. Puesta en marcha de la red de dispositivos.
11. Apertura de la Plataforma web creada a tal efecto para la visualización de los datos a tiempo real.
Dispositivos finales
Cada dispositivo compacto de telemedición de la calidad del aire denominado en esta memoria dispositivo final, está compuesto por una carcasa estanca que incorpora al menos un dispositivo para ser fijado en cualquier emplazamiento fijo o móvil. Para emplearlo en la bicicleta, la carcasa incorpora al menos como medio para la sujeción una pinza tipo cangrejo con presilla, además de una abertura para conector tipo Jack para la conexión del dispositivo a la batería de la bicicleta de asistencia al pedaleo También puede emplearse en cualquier medio que disponga de una batería a la cual adaptarse para permitir su funcionamiento de forma autónoma.
En su interior incorporan un sistema de posicionamiento global (GPS) , microcontrolador módulo de transmisión inalámbrica con protocolo ZigBee y sensores de monóxido de carbono (CO) , de dióxido de nitrógeno (nO2) y de ozono (O3). Pueden incorporar otro tipo de sensores en sustitución de los anteriores como: SO2, partículas PM10 o temperatura y humedad Transmite los valores de los parámetros ambientales recogidos a tiempo real junto la posición donde son capturados, mediante el despliegue de una red de dispositivos inalámbricos funcionando a frecuencias libres de 433MHz, 868MHz. 2, 4GHz y 5GHz hacia un dispositivo denominado coordinador que se encarga de subir la información a un servidor web, para lo cual se configura una red en malla de los dispositivos para la entrada de los datos a un servidor web.
Las principales ventajas que presenta este dispositivo son su reducido tamaño, el reducido consumo energético que presenta y la visualización de los datos capturados en tiempo real. Gracias a esto, pueden ser incorporados en diversos tipos de emplazamientos, incluidos transportes como drenes, bicicletas o transportes públicos, entre otros.
Además presenta un sistema de posicionamiento global que permite localizar de forma inmediata el dispositivo.
La tecnología usada para la transmisión de los datos de forma inalámbrica es actual y está siendo de gran implantación puesto que usa el protocolo de transmisión ZigBee que es el usado en soluciones para SmartCities.
El código utilizado para programar el microcontrolador de ATMEL ha sido processing que es un lenguaje de programación basado en wiring Este tipo de microcontroladores puede venir precargado con un cargador de arranque o bootloader que permite cargar este código mediante un adaptador conectado al puerto USB del PC.
Configuración de la red ZigBee
Los diferentes dispositivos compactos de telemedición de la calidad del aire que emplee el sistema son desplegados siguiendo una red en malla donde existen dos tipos de dispositivos más además de los dispositivos finales, tal y como se muestra en la figura que se muestra más adelante: repetidores y un Coordinador.
Esta es una solución modular y escalable, fácil de adaptar si el número de dispositivos finales aumenta en una ciudad. Los repetidores son colocados de forma estratégica para asegurar que los datos lleguen desde los dispositivos finales hasta el coordinador en aquellos casos en los que no existe visibilidad directa entre ambos. Para ello, tanto el 5
coordinador como los repetidores están provistos de la tecnología inalámbrica que se usa en la red con protocolo ZigBee para la comunicación de los datos.
El coordinador contiene un microcontrolador programado debidamente para realizar la recepción de los datos procedentes de la red y su posterior envío al servidor web mediante tecnología WiFi y Ethernet.
Los dispositivos finales envían de forma única los valores de los sensores junto con la hora, la posición donde se capturan dichos valores y la dirección física del dispositivo hacia el coordinador. Esta comunicación la pueden hacer de forma directa si está dentro del alcance o mediante los repetidores. El coordinador es el que se encarga de gestionar de forma inteligente la ruta de los paquetes y de recibir todos los datos para su posterior envío hacía el servidor WEB.
El Servidor web
El esquema de servidor web ha sido debidamente diseñado para poder adaptar o compartir la información generada de forma óptima en cualquier sistema de visualización o base de datos del cliente. Para ello la estructura se dividió en tres instancias: una para el servidor de base de datos, otra para la aplicación web (API web) y la última con el servidor donde se implementan los servicios web y algoritmos para la conexión de los datos con los mapas. Las distintas tecnologías seleccionadas para su desarrollo han sido:
Se ha elegido REST (Representational State Transfer) para el desarrollo de la aplicación web (API web). REST es un tipo de arquitectura web que se apoya totalmente en el estándar HTTP REST permite crear servicios y aplicaciones que pueden ser usadas por cualquier dispositivo o cliente que entienda HTIP, por lo que es más simple y convencional que otras alternativas que se han usado en los últimos diez años como SOAP y XML-RPC. Podríamos considerar REST como un "Framework" para construir aplicaciones web respetando HTTP.
Plataforma de desarrollo NET puesto que ofrece herramientas óptimas para llevar a cabo el desarrollo del producto y la gestión del equipo a tiempo real. Una de sus características más importantes es que integra infraestructura común para distintos desarrollos y sus librarlas son comunes para todos los lenguajes.
SQL Server para la base de satosdado que presenta las siguientes ventajas:
Facilidad de integración con Entity Framework, sistema que usaremos desde nuestros web services para el mapeo de la base de datos.
Capacidad de escalado y fácil operabilidad desde Amazon RDS (Amazon Relational Database Service).
Posibilidad de crear ejecuciones periódicas con el SQL Agent.
Posibilidad de analizar consultas o rendimiento de la base de datos (SQL profiler).
Posibilidad de indexación espacial, para mejorar así las consultas que dependan de tablas con campos geográficos.
Proporciona una serie de funciones para el tratamiento de datos geográficos suficiente para nuestra funcionalidad.
Posee una herramienta de migración de datos geográficos. Así podemos tratar los shp de origen de los carriles bici de Andalucía e incluirlos en nuestra base de datos.
Gmaps para el desarrollo del sistema GIS con shapes o capas que se añaden sobre los mapas. Esta es la opción más viable, dado que realizan la actualización de mapas con gran periodicidad y los usuarios están más familiarizados con ellos. Además consta de una gran comunidad de desarrolladores que facilitan cualquier tipo de duda sobre su funcionamiento.
Cálculo de índice de calidad del aire
La Consejería de Medio Ambiente y Ordenación de territorio de la Junta de Andalucía realiza el cálculo de los índices de calidad del aire siguiendo los valores límite de la normativa europea. En la misma página de informes de diarios de las estaciones de muestreo de la Consejería muestran los criterios a considerar para el cálculo de los índices parciales de calidad del aire y globales. En cada estación se calcula un índice individual para cada contaminante, conocido como índice parcial y a partir de los índices parciales se obtiene el índice global que coincide con el índice parcial del contaminante que presente el peor comportamiento.
En nuestro caso dicho criterio lo aplicaremos en las trazas en las que hemos dividido los carriles para la visualización del mismo tal y como explicaremos en el siguiente apartado y se han desarrollado una serie de algoritmos de codificación de valores atendiendo a su visualización según un rango de colores. Cada traza tendrá un índice global de calidad del aire asociado.
Respecto a las partículas en suspensión, el Real Decreto 102/2011, de 28 de enero, relativo a la mejora de la calidad del aire, establece unos valores limites aplicables a las partículas en suspensión antropogénicas. A continuación se muestran los valores cualitativos según rango de valores del índice parcial.
Valor del Indice
Calidad del aire
Color
0-50
Buena
Verde
51. 100
Admisible
Amando
101-150
Mala
Rojo
>150
Muy mala
Marrón
El índice parcial del contaminante viene expresado según la Agencia de Protección Medioambiental {EPA) según el siguiente cálculo:
lo - Ifn - lio (Cp ~ BPLo ) + ll0
BPh, -BPLo
donde:
lp = índice parcial para el contaminante p
Cp = concentración medida para el contaminante p
BPHI = punto de corte mayor o igual a Cp
BPLo = punto de corte menor o igual a Cp IHi = valor del PSI correspondiente a BPHi ILo = valor del PSI correspondiente a BPLo
El rango de variaciones valido actual de los índices de parámetros que nos interesa expresados en microgramo por metro cúbico son:
' m1
Calidad cei aire
Valor del índice
NOj_
O?
Buena
0-50
0-100
0-60
0-5000
Admisible
51. 100
100. 200
60. 120
5000-10000
Ma¡a
101-150
200-300
120-180
10000-15000
Muy mala
>150
>300
>180
>15000
Los sensores que del dispositivo USAB han sido configurados para que envíen los valores en parte por billón (ppb) que es una unidad empleada usualmente para valorar el volumen de un gas por cada billón de unidades de volumen de aire.
Para establecer el valor cualitativo de los mismos hacemos la conversión de gg/m3' a `ppb' siendo:
M V (utm, Ta)
Nppb ~ m** M
donde M es la masa molecular del gas en cuestión y V (atm, Ta) el volumen de un mol del gas a determinada presión de atmosferas y temperatura en Kelvin. Siendo la masa de los parámetros a medir las siguientes:
* MnCW=46, 01 g/mol; Mcc^S.Ol g/mol, M33=48 g/mol Y de la relación "PV = nRT" obtenemos el volumen, donde: n = moles de gas; P = presión absoluta; V = Volumen del gas; T = Temperatura absoluta; R = Constante universal de los gases ideales (R = 0, 08205746).
RT (273 + 20 ) Kelvin
V = = 0 082-------------------= 24, 04 litros
P 1 atm
Sustituyendo en la primera fórmula obtenemos los valores limites en 'ppb' de los para metros
** (Ver fórmula) **
Tipo
Calidad del aire
N02 (ppb)
(ppb)
CO (ppb)
Color
Buena
0-50
0-52
0-30
0-4291
Verde
Admisible
51. 100
52. 104
30. 60
4291-8583
Amarillo
Mala
101-150
104-156
60. 90
8583-12874
Roio^
Muy mala
>150
>156
>90
>12874
Marrón
