Projeto de Monitoramento de Qualidade do Ar

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PROYECTO CURSO SISTEMAS ELECTRÓNICOS EMBEBIDOS
Presentado a: Ph.D Fredy Enrique Segura Quijano
LA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
Integrantes:
Deivis Alexander Rosero Yela
Luis Carlos Diaz Bautista
Benjamin Andrés Huerfano Zapata
Carlos Arturo Acosta Herrera
Diseño e Implementación de una Red de Monitoreo Remota de Calidad
del Aire
18 de septiembre del 2015
Tabla de contenido
1 Introducción 1
1.1 Descripción de la problemática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 Material Particulado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.2 Equipo de Medición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.3 Metodoloǵıa de las Mediciones Ambientales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Planteamiento de problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Justificación del trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2 Marco teórico, conceptual e histórico 5
2.1 Marco Teórico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Marco Conceptual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 Marco Histórico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3 Caracterización del proyecto 9
3.1 Objetivo General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.2 Objetivos Espećıficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
4 Caracterización de la solución 10
4.1 Métodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4.2 Materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4.3 Metodoloǵıa de prueba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4.4 Validación de los resultados del trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4.4.1 Validación de almacenamiento correcto de los datos en la SD . . . . . . . . . . . 12
4.4.2 Validación de correcto funcionamiento de alarmas de nivel e interrupciones. . . . 12
4.4.3 Validación del almacenamiento de datos en la DB . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4.4.4 Validación del funcionamiento del sistema completo . . . . . . . . . . . . . . . . 12
4.5 Trabajo computacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.6 Alternativas de desarrollo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.6.1 Raspsberry PI 1 Modelo A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.6.2 BeagleBone Black . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
5 Contexto del proyecto 14
5.1 Suposiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
5.1.1 Ámbito Geográfico: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
5.1.2 Ambiente del aplicativo: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
5.1.3 Modo de operación: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
5.1.4 Recursos de Almacenamiento: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
5.2 Restricciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
5.2.1 Recursos Humanos: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
5.2.2 Recursos F́ısicos: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
5.2.3 Recursos Hardware: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
ii
TABLA DE CONTENIDO iii
5.2.4 Recursos Software: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
5.2.5 Recursos Económicos: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
5.3 Factores de riesgo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
6 Distribución de responsabilidades 17
7 Resultados y productos esperados 18
8 Cronograma 19
8.1 Fase de planeación: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
8.2 Fase de Diseño:
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
8.3 Fase de Desarrollo:
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
8.4 Fase de Pruebas:
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
8.5 Fase Documental:
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
9 Presupuesto 24
Índice de figuras
1.1 Aportes Emisiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Fotograf́ıa frontal y posterior del equipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Diagrama de bloques del sistema de acople . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1 Tamaños medios de materiales suspendidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 GSM: Diagrama de Bloques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.3 GPS: diagrama . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
4.1 Plataforma de desarrollo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
4.2 Módulo sensor DustTrak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
iv
Índice de tablas
5.1 Condiciones de operación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
6.1 Distribución de responsabilidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
8.1 Cronograma General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
8.2 Fase de Planeación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
8.3 Fase de Diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
8.4 Fase de Desarrollo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
8.5 Fase de Pruebas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
8.6 Fase de Documental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
8.7 Diagrama de Gant del Proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
v
Caṕıtulo 1
Introducción
1.1 Descripción de la problemática
1.1.1 Material Particulado
En los últimos años se han desarrollado numerosos estudios y teoŕıas que relacionan la exposición a
compuestos qúımicos con enfermedades humanas. Generalmente este tipo de compuestos pueden ser
clasificados de acuerdo a su tamaño, y como producto de dicha clasificación se obtiene el PM2.5, cat-
egoŕıa que incluye todo el material particulado con diámetro aerodinámico menor a 2.5 µm. Dentro
de los estudios de salud pública y ocupacional, es común encontrar caracterización y determinación de
PM2.5 en los ambientes de estudio, dado que la magnitud de la exposición a este tipo de part́ıculas está
fuertemente relacionada con afecciones respiratorias y enfermedades cardiovasculares. De igual man-
era, con el paso de las décadas se han venido proponiendo nuevas tecnoloǵıas que permiten cuantificar
dichas exposiciones y establecer relaciones determińısticas entre la “dosis” y la “respuesta” asociadas a
un contaminante espećıfico. Con la aplicación de equipos de medición que fundamentan en principios
f́ısicos extensamente estudiados, es posible medir en todo tipo de ambientes la exposición a un con-
taminante espećıfico. De esta forma, están todas las condiciones dadas para lograr una caracterización
del riesgo que supone una especiecontenida en el aire. la figura 1.1 relaciona las principales fuentes
del contaminantes con sus respectivos aportes anuales.
El Grupo de Estudios en Sostenibilidad Urbana y Regional(SUR) de la Universidad de los Andes,
tiene un conjunto de proyectos asociados haciendo mediciones ambientales de material particulado
supendido. Distintas mediciones se relizan a lo largo de Bogotá y su zona metropolitana con el
propósito de aportar en los ámbitos de la salud, social y medio ambiental del páıs.
1.1.2 Equipo de Medición
Para relizar las mediciones correspondiente se utiliza el equipo DustTrak de la empresa británica TSI
(www.tsi.com), el cual es capaz de medir concentraciones de part́ıculas suspendidas en aire de diferentes
diámetros, El cual utiliza el principio de fotometŕıa óptica para lograr sus mediciones.
El equipo opera haciendo circular un flujo de aire a través del inlet demarcado con el numeral 8 en
la figura 1.2. Para la medición de diferentes diámetros e necesario cambiar el accesorio del inlet, la
medición se puede hacer a través del puerto analógico demarcado con el numeral 10, o a traves de un
puerto de ethernet. Posee almacenamiento interno y una configuración de hora local.
1.1.3 Metodoloǵıa de las Mediciones Ambientales
Los muestreos hechos por parte del grupo SUR son muestreos ambientales hechos por los principales
corredores v́ıales de la ciudad de Bogotá, el estudio se hace extensivo al impacto de los distintos modos
1
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN 2
Figura 1.1: Aportes Emisiones
de transporte urbano (bicicleta, tranporte públio, particular, etc). El personal que hace las mediciones
lleva consigo un equipo durante el recorrido registrando las concentraciones de material particulado
recorriendo trayectos predefinidos y de interés cient́ıfico determinado por los investigadores. Cada
muestreo se etiqueta local y espacialmente usando un reloj y un dispositivo GPS, al inicio y final del
recorrido. Luego los datos son descargados a un computador donde se tienen que separar, según el
punto de medición del que provienen y sincronizar en tiempo, para poderlos utilizar para los estudios
respectivos.
1.2 Planteamiento de problema
1.3 Justificación del trabajo
Con el fin de crear un sistema que automaticamente centralice la información registrada en cada uno
de los muestreos se adecuará al equipo de medición una aquitectura como la descrita en la figura 1.3,
dicha arquitectura permitirá posteriormente una conexión a internet a un servidor que que gestionará
una base de datos con la información de los muestreos correspondientes.
Se pretende mediante dicho sistema proveer al sistema de las siguientes caracteŕısticas:
• Sincronización con el reloj mundial a través de internet.
• Marcación espacial mediante señal de GPS y/o GSM.
• Redundancia en la información mediante almacenado en un dispositivo de almacenamiento ex-
terno local(memoria SD) y transmisión a una base de datos.
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN 3
2 
1 
3 
4 
5 6 7 
8
9 
11 12
10
Figura 1.2: Fotograf́ıa frontal y posterior del equipo
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN 4
Plataforma
de
Desarrollo
GPS
GSM
RTCSDPower
System
Figura 1.3: Diagrama de bloques del sistema de acople
Caṕıtulo 2
Marco teórico, conceptual e
histórico
2.1 Marco Teórico
El material particulado es una mezcla de part́ıculas suspendidas en el aire que vaŕıan en número,
tamaño, forma, composición qúımica, solubilidad y origen(Pope & Dockery, 2006). puede ser clasificado
según su tamaño, debido a los distintos efectos que produce en la salud debido a esa caracteŕıstica.
Las particulas de 10µm o mayor no representan mayor riego para la salud humana, pues son retenidos
por los mecanismos de defensa del cuepo (véase 2.1 ), sin embargo materiales como el PM2.5 es capaz
de entrar al organismo y causar complicaciones. Según la American Lung Association son entre otras:
Figura 2.1: Tamaños medios de materiales suspendidos
• Inflamación de tejido pulmonar.
• Ataques de Asma (especialmente en niños pequeños).
5
CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO, CONCEPTUAL E HISTÓRICO 6
• Cáncer por exposiciones prolongadas.
• Enfisema pulmonar(acumulación de material particulado en los alvéolos).
2.2 Marco Conceptual
GSM [2]
El sistema Global para Aplicaciones Móviles GSM (pos sus siglas en inglés Global System for Mobile
Communications) es el sistema de comunicaciones más exitoso a nivel mundial, su desarrollo comenzó
en 1982.
GSM es un estándar abierto, esto significa que sólo las interfaces son especificadas, no la imple-
mentación. Esto asegura que todos los productos de diferentes fabricantes sean compatibes, aunque
puedan diferir en caldad y precio.
Generalidades
Una sistema GSM está compuesto basicamente de tres partes, las cuales son: Susbsitema de Estación
Base (BSS por sus siglas en inglés Base Station Subsystem), el Subsistema de Red y Switcheo(NSS pos
us siglas en inglés Network and Switching Subsystem) y el Subsistema de Soporte de Operación(OSS,
Operation Support System).
BTS
BTS
BTS
BTS
BTS
BSC
BSC
BSS
BSS
MSC
OMC
ADC NMC
OMC
MSC
VLR
VLR
EIR
AUC
HLR
Interface to 
other networks
OSI
Um-interface Abis-interface A-interface
Figura 2.2: GSM: Diagrama de Bloques
Subsistema de Estación Base
El sistema de estación base está compuesta de estaciones base transceptoras(BTSs) (véase figura 2.2) y
las estaciones base controladoras(BSCs). Las BTSs establecen y mantienen la conexión a las estaciones
móviles(MSs) con su célula. La interfaz entre las MSs y las BTSs es llamada Um-interface, Las BTSs
contienen como mı́nimo, las antenas de RF y el software para múltiple acceso.
Subsistema de Red y Switcheo
El principal componente del subsistema de Red y Switcheo es el Centro de Switcheo de Serivicio
Móviles (MSC), el cual controla el trafico entre los diferentes BSCs.
Susbistema de Soporte de Operación
El OSS es responsable por la organización de la red y el mantenimiento de la operación.
CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO, CONCEPTUAL E HISTÓRICO 7
GPS [1]
El Sistema Global de Posicionamiento (GPS) se ha convertido en un sistema popular y fácil. El GPS
tiene cuatro funciones básicas: Posicionamiento de cordenadas, medición de distancias, medicion de
velocidades, medición precisa de tiempo.
El posicionamiento es la principal función del GPS, los dispositivos receptores captan señal de los
satelites y leen la cadena de datos enviada por el satelite, en general esta compuesta por cordenadas
de latitud/altitud, la altura sobre el nivel del mar, el número de satelites disponibles y un checksum.
Hay al menos 24 satelites de GPS orbitando la tierra, un usuario puede recibir como mı́nimo señal de
6 de ellos. una vez obtenidos los paquetes de cada uno de los satelites es posible calcular la posición
del dispositivo receptor.
Figura 2.3: GPS: diagrama
Un sistema de cordenadas señala un punto del espacio tridimensional, para lograr esto el sistema GPS
utiliza cordenadas geodésicas, razón por la cual una ubicación será descrita mediante la altitud, latitud
y altura.
Sistemas Operativos de Tiempo Real
Los sistemas operativos en tiempo real son aquellos que proveen un planificador para la ejecución de los
hilos de programación. Se debe garantizar que el patrón de ejecución sea completamente predecible y
seguro. Esta caracteŕıstica es importante en sistemas embebidos que tengan requerimientos de tiempo
real, un requerimiento de tiempo real es aquel de exija que el sistema responda a ciertos eventos
en tiempos extrictamente definidos por el usuario (deadline). La manera de lograr esto es que el
planificador del sistema operativo es predictivo, es decir si se sabe con certeza cuanto es el tiempo
máximo de ejecución de cada tarea. Una manera de alcanzar el determinismo es permititiendo al
usuario asignar prioridades a cada hilo de ejecución. La prioridad establece cual hilo se ejecutará a
continuación (http://www.freertos.org/about-RTOS.html).
FreeRTOSes una clase de sitema operativo en tiempo real diseñado para ser lo suficientemente pequeño
para correr en un microcontrolador. FreeRTOS provee el nucleo para obetener la funcionalidad de
planificación en tiempo real y comunicación entre tareas (inter-task).
Las principales ventajas de FreeRTOS son (http://www.freertos.org/index.html):
http://www.freertos.org/about-RTOS.html
http://www.freertos.org/index.html
CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO, CONCEPTUAL E HISTÓRICO 8
1. Provee una solución para diferentes arquitecturas y herramientas de desarrollo.
2. Consume pocos recursos de memoria (RAM y ROM).
3. Es simple, el nucleo del kernel de FreeRTOS se encuentra en 3 archivos C.
4. Su uso es libre para aplicaciones comerciales.
5. Entrega una amplia docuementación.
Otro aspecto importante es quees compatible con los microcontroladores ARM de Freescale y su entorno
de desarrollo de eclipse(http://www.freertos.org/RTOS_ports.html).
2.3 Marco Histórico
Los datos recoletados por el grupo SUR sirven entre otros para los siguientes proyectos internos y
externos de la Universidad de los andes:
• Estructuración de los proyectos necesarios para implementar el plan decenal de descontaminación
atmosférica para Bogotá cuyo objetivo es definir una poĺıtica distrital de calidad del aire y
formular un plan de gestión de calidad del aire para la ciudad de Bogotá para los próximos 10
años, que permita disminuir la contaminación atmosférica en la ciudad.
• Adaptación a los impactos en la salud debido a la contaminación del aire y extremos climáticos
en ciudades Latinoamericanas cuyo obejito es investigar los efectos independientes y combinados
de la exposición a las variaciones excesivas del clima y la contaminación urbana, junto con la
vulnerabilidad humana, sobre la salud de los habitantes de cuatro ciudades latinoamericanas:
Bogotá, Buenos Aires, Ciudad de México y Santiago de Chile. Se explora la variación espacial
de los patrones de mortalidad y morbilidad humana, y los factores humanos y naturales que dan
cuenta de esta distribución dentro de las ciudades estudiadas y es financiado por Inter-American
Institute for Global Change Research (IAI).
http://www.freertos.org/RTOS_ports.html
Caṕıtulo 3
Caracterización del proyecto
3.1 Objetivo General
Diseñar e implementar un sistema de monitoreo remoto de cantidad de particulas supendidas en el
aire con referencias espaciales.
3.2 Objetivos Espećıficos
1. Asegurar la correcta adquisición de datos desde el equipo DustTrak por parte de la plataforma
de desarrollo.
2. Proveer los datos de marcas temporales sincronizadas con el reloj mundial.
3. Proveer los datos de marcas espaciales durante todo el trayecto del muestreo ambiental.
4. Centralizar la información en una base de datos a través de una red inalámbrica GSM.
5. Asegurar la integridad de la información recolectada durante los muestreos.
9
Caṕıtulo 4
Caracterización de la solución
4.1 Métodos
• Primero: se realizará pruebas de adquisición simple con el módulo sensor, este presenta salidas
tipo analógicas y Ethernet-serial; por ende, es necesario averiguar de acuerdo a la licencia del
dispositivo cual entrada se usará para realizar la adquisición y programar un sencillo algoritmo
que posibilite la correcta adquisición de datos. Este paso posibilita el cumplimiento del objetivo
secundario 1.
• Segundo: Se incluirá un módulo RTC y se hará el respectivo código para obtener los datos en el
embebido principal con el fin de brinda una marca temporal. Este paso esencial permite cumplir
el objetivo secundario 2.
• Tercero: Para brindar una marca espacial se adicionará un modulo GPS y se tendrá que agregar
un algoritmo para sustentar la adquisicón del mismo y asegurar la corrección de datos cuando
hay perdida de la señal. Esto da cumplimiento al objetivo 3.
• Cuarto: Se debe generar una base de datos, generar código para el módulo GSM y establecer
una red de datos, que posibilite el almacenamiento por paquetes de los mismos en una central,
teniendo en cuenta múltiples parámetros de error y protección de los mismos. Este paso brinda
la consecución del objetivo 4.
• Quinto: Establecer un sistema robusto, con una correcta alimentación eléctrica, con un algoritmo
eficiente, un funcionamiento integral de todos los módulos y pruebas reales en campo durante un
determinado tiempo permitirá establecer el correcto funcionamiento y brindará el cumplimiento
del objetivo secundario 5.
4.2 Materiales
Estos seŕıan los principales materiales:
• Plataforma FRDM-KL46Z: Freescale Freedom Development Platform for Kinetis KL3x and KL4x
MCUs : Procesador: ARM R© Cortex R©-M0+. Almacenamiento USB
• Módulo sensor DUSTTRAK
• GPS, Módulo GSM y reloj RTC
• Bateŕıa y circuito de potencia, circuito de alarma.
10
CAPÍTULO 4. CARACTERIZACIÓN DE LA SOLUCIÓN 11
Figura 4.1: Plataforma de desarrollo
Figura 4.2: Módulo sensor DustTrak
• Carcasa
• Servidor y Software (PHP, PHPMyAdmin, Apache, MySQL)
4.3 Metodoloǵıa de prueba
La metodoloǵıa de prueba seguirá el protocolo de dividir partes cŕıticas del dispositivo que pueden
fallar y revisar su correcto funcionamiento, de acuerdo a la estructura del dispositivo estas seŕıan las
siguientes secciones de prueba:
• Almacenamiento correcto de los datos en la SD: Se probará el correcto almacenamiento de los
datos, realizando un código sencillo de prueba durante un determinado tiempo.
• Correcto funcionamiento de alarmas de nivel e interrupciones: Cada alarma de nivel se probará
estableciendo un conjunto de fallos intecionales.
• Almacenamiento efectivo de los datos en la DB: se revisará que los datos lleguen adecuadamente
a la central de información.
• Sicronización correcta de tiempo y geolocalización: Esta prueba implica establecer que el conjunto
de dispositivos esten correctamente correlacionados en tiempo y referencia espacial, de acuerdo
al protocolo de medida que se tenga establecido.
• Pruebas adicionales: implica revisión del funcionamiento de los módulos GSM, RTC, sistema de
adquisición del sensor y alimentación adecuada del sistema.
CAPÍTULO 4. CARACTERIZACIÓN DE LA SOLUCIÓN 12
4.4 Validación de los resultados del trabajo
Para la validación de los resultados se realizara una serie de pruebas para cada uno de los sistemas a
utilizar de manera individual y luego se realizara pruebas al sistema completo.
4.4.1 Validación de almacenamiento correcto de los datos en la SD
Para verificar la lectura de los datos entregados por el equipo DustTrack y su guardado en la memoria
SD (o micro SD) se realizara dos pruebas
Inicialmente se expondrá el sistema a una serie de ambientes con diferente material particulado y
comparar el dato medido por el equipo y por la salida analogica o serial. Para la comparación se crea
una grafica de calibración de la lectura del equipo. Seguidamente se escribirá un archivo dentro de la
tarjeta de memoria correspondiente a los datos leidos del equipo. Se compara con los datos guardados
en el dispositivo de almacenamiento del equipo indicando el porcentaje de error en la escritura de los
datos.
4.4.2 Validación de correcto funcionamiento de alarmas de nivel e inte-
rrupciones.
Para verificar el funcionamiento de los sensores y sistemas de comunicación se realizara una prueba
con cada uno de ellos exponiendolos a diferentes dificultades que se puedan presentar.
Inicialmente se veridicará el correcto funcionamiento del GPS realizando la captuara de las ubicaciones
medidas mediante el sensor GPS y se graficaran en un mapa junto con el trayecto real. Durante esta
prueba se recorrera uno de los recorridos tipicos del equipo y se realizara el bloqueo de la señal satelital
mediante una lamina metalica. Durante la perdida de la señal se estimara la señal mediante la señal
de GPRS.
Seguidamente se realizara una prueba para verificar el funcionamiento del modulo GPRS realizando la
transmisión de los datos medidos a un servidor a la vezque se guardan en la tarjeta de memoria. Al
igual que con el modulo GPS se bloquea la señal GPRS mediante una lamina metalica al rededor de
la antena durante la prueba. Se calculara el porcentaje de datos cargados correctamente en el servidor
comparandolos con los datos de la SD. Los datos que no pudieron ser enviados por perdida de la señal
seran envidos cuando se recupere la conección al servidor.
Posteriormente se realizara una prueba para verificar el funcionamiento bajo condiciones de bateria
baja. Se deja en funcionamiento con un porcentaje de carga en la bateria del sistema menor al 20%.
Se espera que el sistema alerte al servidor su nivel de bateria bajo antes de seguir un protocolo de
apagado del sistema. Luego se recarga la bateria del sistema y se coloca una bateria con carga baja
al equipo DustTrack . Cuando se descarge por completo el equipo se espera que el sistema detecte la
ausencia de datos sensados y lo reporte al servidor y ejecute el mismo protocolo de apagado. Para
verificar el funcionamiento con niveles bajos de bateria se inspeccionara los datos reguistrados en el
servidor luego de estas pruebas.
4.4.3 Validación del almacenamiento de datos en la DB
Se definirá el protocolo de comunicación entre el sistema y el servidor web de modo que se codifique
la lectura del sensor, la posición geografica y el tiempo. Se enviaran los datos codificados al servidor
y ademas se guardaran, con la misma codificación, en la tarjeta SD. Se determinara el porcentaje de
datos escritos de manera erronea en el servidor respecto a los datos guardados en la SD.
4.4.4 Validación del funcionamiento del sistema completo
Se expondrá el sistema a un conjunto de recorridos de prueba y se presentaran los datos como una
tabla de datos que relacione los valores de cantidad de particulas suspendidas, posición de la lectura y
CAPÍTULO 4. CARACTERIZACIÓN DE LA SOLUCIÓN 13
tiempo de lectura. Los datos seran obtenidos del servidor.
4.5 Trabajo computacional
Para la programación de la solución se realizara el uso del ambiente de desarrollo basado en eclipse
Kinetis Design Studio. Tanto su descarga como su uso es libre ademas que se encuentra documentación
variada en multiples comunidades virtuales.
Para la implementación del servidor se concideraran multiples alternativas como lo son PHP, PHP-
MyAdmin, Apache y MySQL.
4.6 Alternativas de desarrollo
Para la ejecución de este proyecto se concideraró la posibilidad de usar un microcontrolador, un
microprocesador o una tarjeta de desarrollo.
Se descartó el uso de un microcontrolador o microprocesador como solución inicial por la dificultad de
conectar los dispositivos comparado con las tajetas de desarrollo, sin embargo una vez implementada
la solución en una tarjeta de desarrollo se puede diseñar una solución que utilice un microcontrolador
similar al que se encuentra en la tarjeta de desarrollo.
Las tarjetas de desarrollo que fueron analizadas fueron:
4.6.1 Raspsberry PI 1 Modelo A
Es una tarjeta de desarrollo diseñada por la Fundación Raspberry. Su arquitectura esta basada en un
SoC Broadcom BCM2835 que contiene un CPU, un GPU, un bloque de procesamiento de señales, una
SDRAM y puerto USB.
La CPU es un nucleo ARM 1176JZF-S a 700 MHz con un juego de instrucciones RISC de 32 bits
por lo que se pueden usar un gran conjunto de sistemas operativos GNU/Linux basados en Debian
(Raspbian), Fedora (Pidora), Arch Linux (Arch Linux ARM) y Slackware Linux. La tarjeta contiene
ademas del puerto USB, conectores de video por HDMI y RCA y de audio por un conector de 3.5m
ademas de 8 puertos GPIO, un puerto SPI, un I2C y un UART.
En este sistema cuenta con una memoria RAM de 256MiB que son compartidos entre la CPU y la
GPU lo que demuestra que esta diseñado para un desempeño grafico alto. La tarjeta cuenta con un
conector para tarjeta SD donde se pueden guardar los datos, sin embargo carese de puertos ADC por
lo que se dificulta la lectura del sensor.
Esta tarjeta se descarto por su alto desarrollo grafico que no era necesario en la solución y la ausencia
del ADC implicaria la adición de un circuito externo a la tarjeta.
4.6.2 BeagleBone Black
Es una tarjeta de desarrollo de BeagleBoard.org diseñada para tener un bajo costo (55 dolares por
tarjeta). Esta tarjeta cuenta con un procesador AM335x 1GHz ARM R© Cortex-A8 como elemento
central.
El procesador tiene una RAM DDR3 de 512MB, una memoria flash eMMC 8-bit de 4GB, un acelerador
de graficos 3D, un acelerador de punto flotante NEON y dos microcontroladores de 32 bits programables
en tiempo real. Al igual que con la Raspberry PI se identifica un desarrollo alto para el diseño de una
interfaz grafica de usuario o procesamiento de imagenes que no son necesarios en la solución.
Como conectores tiene dos puertos USB, un puerto Ethernet, un HDMI y dos conectores de 46 pines
ademas de un puerto para una tarjeta microSD.
Soporta sistemas operativos variados entre los que se destacan Debian, Android y Ubuntu.
Caṕıtulo 5
Contexto del proyecto
5.1 Suposiciones
En el actual numeral se dispondrán las suposiciones necesarias para el desarrollo pleno del proyecto,
teniendo en cuenta lo indicado por los diferentes aspectos del proyecto:
5.1.1 Ámbito Geográfico:
Se supondrá que el resultado final únicamente se aplicara en un ambiente abierto (calles, caminos,
senderos, aceras, ETC) de tipo urbano, en caso tal de no ser urbano debe de contar con la disponibilidad
de cobertura GPS para su debido posicionamiento.
De este modo se deja abierta la posibilidad de la aplicación dentro de una ambiente rural el cual cuenta
con una red de telefońıa móvil.
5.1.2 Ambiente del aplicativo:
El ambiente contara con las condiciones necesarias por el sistema de medida, con el fin de asegurar su
óptimo funcionamiento, por tanto se supondrá que la aplicación adyacente al mismo deberá contar.
Caracteŕıstica Rango
Temperatura 0 a 50 (oC)
Temp. de Almacenamiento -20 A 60 (oC)
Humedad 0 to 95 (%) (no condensada)
Tiempo de muestreo 1 a 60 (Seg.)
Tabla 5.1: Condiciones de operación
5.1.3 Modo de operación:
El uso del proyecto estará únicamente destinado a la toma de medidas por parte del grupo a cargo
de las mismas, y por ende se supone contaran con la calidad y formación necesaria para manipular
el dispositivo de medida de manera adecuada, con el fin de evitar posibles fallos, fluctuaciones y
errores en dichas muestras, por otra parte cave a aclarar que a dicho grupo se le realizara la respectiva
capacitación para el uso adecuado con el sistema automático integrado al finalizar el actual proyecto.
14
CAPÍTULO 5. CONTEXTO DEL PROYECTO 15
5.1.4 Recursos de Almacenamiento:
Suponemos que debemos de contar mı́nimo con igual o mayor cantidad de almacenamiento de datos por
parte del aplicativo con el fin de no perder ningún tipo de dato en el transcurso de cada muestreo por
parte del dispositivo de medida. Por tanto debemos contar al menos con capacidad de 31.000 espacios
de memoria, en los cuales se almacenará la información pertinente de cada uno de los recorridos.
5.2 Restricciones
En el actual numeral se especificaran todas las restricciones, que pueden afectar y/o otros casos limitar
algunas partes inherentes al proyecto.
5.2.1 Recursos Humanos:
En este ámbito se identifica los siguientes ı́tems a tener en cuenta
• 4 Ingenieros Electrónicos. (Autores).
• Asesoramiento de Ingeniero Ambiental (Ph.D. Ricardo Morales Betancourt).
• Asesoramiento Ingeniero Eléctrico (Ph.D. Fredy Enrique Segura Quijano).
Tiempo de Ejecución: Teniendo en cuenta las restricciones de recursos humanos Donde los 4 (autores)
serán los entes encargados de la ejecución del proyecto, los dos últimos serán tanto entes evaluadores
y como de acompañamiento en dicho proceso. Por tanto el Cronograma de actividades se desarrolló
únicamente con la base de tiempo disponible por los Autores los cuales cuentan con disposición de
medio tiempo.
5.2.2 Recursos F́ısicos:
• Numero de Dispositivos: Aunqueactualmente se cuenta con el acceso pleno al dispositivo de
muestro, no se cuenta con la cantidad óptima para el desarrollo del proyecto, puesto al contar
inicialmente con (1) un solo equipo para realizar las diferentes pruebas, el proyecto se ve obligado
a tener un tiempo de ejecución mayor al inicialmente planteado puesto que se deben tomar
diferentes espacios de tiempos para el desarrollo del trabajo sobre el equipo, Esta restricción será
eliminada entre las fechas 12 al 17 de octubre, fechas en las cual se obtendrá accesos a otros 3
equipos.
• Locaciones y Espacio de trabajo: El espacio de trabajo asignado al área de telecomu-
nicaciones ubicado en la Sala ML-307. Además de las áreas de trabajo libre brindadas en la
Universidad de los Andes y cualquier otra locación que los Autores pongan a disposición del
proyecto y sobre la cual tengan autoridad o permiso para el desarrollo de actividades.
• Estaciones de trabajo: Cada uno de los entes ejecutores asignados anteriormente cuenta con
el acceso al menos un computador, sobre el cuales se llevaran a cabo las labores de planeación,
diseño, desarrollo y documentación del actual proyecto.
5.2.3 Recursos Hardware:
En cuanto a hardware definimos diferentes restricciones necesarias para el desarrollo del proyecto:
• Conexión a red de telefońıa móvil.
• Conversor Análogo a Digital (ADC).
• Sistema Posicionamiento Global (GPS).
CAPÍTULO 5. CONTEXTO DEL PROYECTO 16
• Tamaño portable con respecto al dispositivo de medida.
• Sistema de almacenamiento de información de tipo no volátil.
• Conexión (Serial, Ethernet, Paralela o ETC) que permita el grabado y depuración del código
fuente, con el cual se desarrollara le proceso de automatización.
5.2.4 Recursos Software:
• Licencias académicas: Se hará uso de las licencias de tipo gratuito a nivel académico gracias
a la conexión con la que los autores cuentan con al institución (Universidad de los Andes).
• Licencias libres: ofrecidas por los desarrolladores de software dueños de los derechos de autor
de las mismas.
• Licencias Pagas: Únicamente se hará uso de las licencias pagas por la Universidad de los
Andes, las cuales se encuentren a disposición del estudiantado o de los entes ejecutores y de
acompañamiento del proyecto, a parte de las que actualmente se encuentran dispuestas en las
herramientas de trabajo.
Estas restricciones serán objeto de estudio a lo largo del proyecto pues representan un gran riesgo para
la integridad del mismo.
5.2.5 Recursos Económicos:
Los recursos económicos se ven limitados a la inversión disponible por los Autores del proyecto, in-
cluyendo:
• Tiempo laborado: Según lo propuesto en las limitaciones de tiempo, no podrá acceder el
monto devengado a medio tiempo laborar de los autores.
• Herramientas de trabajo: Se limitan al uso de los equipos disponibles en las salas de Teleco-
municación y de préstamos de la Universidad de los Andes, además de los recursos de propiedad
de los autores los cuales deseen brindar como apoyo al proyecto (Computadores, Medidores,
Conectores, ETC.).
• Dinero en efectivo: el cual será brindado por los Autores, el monto será acordado en consenso
entre los entes ejecutores.
Dichos Activos y Pasivos serán la base primordial y por ende el ĺımite del actual proyecto, los cuales
se tendrán en cuenta en numerales superiores donde se define el cronograma y presupuesto (Capitulo
8 y 9 respectivamente).
5.3 Factores de riesgo
Los principales eventos o situaciones que podŕıan evitar el cumplimiento de los objetivos son:
• Conexión erronea entre la base de datos y el sistema lector.
• Daño irreparable del módulo sensor: Debido al costo elevado del sensor, este es un riego inminente
que evitaŕıa el cumplimiento de los objetivos.
• Trabajo colectivo: El trabajo será desarrollado por un grupo, por ende la incorrecta asignación
de tareas y la falta de coordinación podŕıan ser cŕıticos en el cumplimiento de los objetivos.
• Trabajo colectivo: El trabajo será desarrollado por un grupo, por ende la incorrecta asignación
de tareas y la falta de coordinación podŕıan ser cŕıticos en el cumplimiento de los objetivos.
Caṕıtulo 6
Distribución de responsabilidades
Las actividades para el desarrollo del proyecto tendran un responsable para la ejecución de la misma.
Para verificar el desarrollo de la actividad otro miembro del grupo realizara las pruebas que concidere
necesarias.
La distribución de las responsabilidades y la verificación de las actividades se realizara de acuerdo con
la tabla 6.1.
Actividad Responsable Verificador
Realizar la comunicación con el equipo para adquirir medi-
ciones de material particulado
Acosta Diaz
Crear, modificar y borrar archivos en la tarjeta de memoria Diaz Acosta
Leer, interpretar y preparar datos del GPS Huerfano Diaz
Comunicar información al servidor a traves del modulo GPRS Rosero Huerfano
Conectar y sincronizar el sistema con el Reloj mundial Acosta Rosero
Implementar bloque de alimentación del sistema Diaz Huerfano
Creación y optimización del protocolo de comunicación y al-
macenamiento de los datos
Huerfano Acosta
Desarrollar e implementar el servidor web Rosero Diaz
Desarrollo de algoritmos para funcionamiento del sistema en
condiciones de alarma (bateria baja, perdida de señal)
Acosta Huerfano
Programación de algoritmos de control del sistema Diaz Rosero
Diseño e implementación del empaquetado del sistema Huerfano Rosero
Ensamble final del sistema completo Rosero Acosta
Tabla 6.1: Distribución de responsabilidades
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Caṕıtulo 7
Resultados y productos esperados
Los resultados esperados tras la ejecución de este proyecto son:
1. El prototipo funcional de un equipo que capture datos de concentración de part́ıculas suspendidas
en el aire, los referencie espacial y temporalmente y los organizé en una base de datos.
2. Un algoritmo de sincronización de la hora mundial corriendo sobre el dispositivo.
3. Determinación de cordenadas geodésicas a partir de la triangulación de las señales obtenidas por
los satelites GPS.
4. Una base de datos diseñada con los campos requeridos para el almacenamiento de los datos.
5. Algoritmos de almacenamiento remoto(GSM) y local(SD) de la información registrada.
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Caṕıtulo 8
Cronograma
El actual proyecto se verá enmarcado en el desarrollo de cada una de las fases presentadas en la tabla
8.1 el cual indica las principales tares y sus tiempos de ejecución.
Tabla 8.1: Cronograma General
Dichas fases se encuentran subdivididas, pero para efectos de mejor visualización las presentaremos de
forma individual.
8.1 Fase de planeación:
En la cual se desarrolla todos los estamentos base y se centran la ideas, metas y objetivos que poste-
riormente cumplirá el proyecto.
Tabla 8.2: Fase de Planeación
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CAPÍTULO 8. CRONOGRAMA 20
8.2 Fase de Diseño:
En la cual se definen cada una de las tecnoloǵıas, métodos y se bosqueja el prototipo inicial del dis-
positivo, permitiendo tener una base documental, técnica y teórica del proceso que se adelantara en la
fase de desarrollo la cual será ilustrada en el numeral posterior.
Tabla 8.3: Fase de Diseño
8.3 Fase de Desarrollo:
En donde se aplicaran cada una de las tecnoloǵıas y métodos identificados en la fase inmediatamente
anterior, es la fase donde el proyecto toma vida y forma el sistema de automatización el cual es el obje-
tivo del actual proyecto. En esta fase se adecua, interconecta y desarrolla el algoritmo base del proyecto.
.
CAPÍTULO 8. CRONOGRAMA 21
Tabla 8.4: Fase de Desarrollo
8.4 Fase de Pruebas:
Esta fase se ejecuta en modo paralelo a la fase de desarrollo donde cada una de las pruebas es de vital
importancia para asegurar el correcto funcionamiento del sistema en la Fase de implementación del
proyecto. Permitiendo aśı mantener un sistema estable y robusto con la finalidad de cubrir cualquier
eventualidad presentada.
8.5 Fase Documental:
Esta fase es desarrollada a lo largode todo el proyecto y es transversal a cada una de las tareas y
sub-tareas relacionadas en el cronograma, permitiendo de este modo generar un resultado escrito y la
bitácora del desarrollo del sistema actual.
CAPÍTULO 8. CRONOGRAMA 22
Tabla 8.5: Fase de Pruebas
Tabla 8.6: Fase de Documental
CAPÍTULO 8. CRONOGRAMA 23
Tabla 8.7: Diagrama de Gant del Proyecto
Caṕıtulo 9
Presupuesto
El presupuesto se estima para la fabricación de un solo dispositivo.
Número Caracteŕıstica Valor
1 Personal 1000.000
2 Equipos de Instrumentación 500.000
3 Software 0
4 Capacitación 100.000
5 Documentación 50.000
6 Materiales e insumos: 242.000
El valor de los materiales e insumos resulta de la compra de materiales:
• Tarjeta de desarrollo: 50.000 pesos
• Modulo GSM: 58.000 pesos
• Modulo GPS: 50.000 pesos
• Modulo RTC: 9 000 pesos
• Carcasa: 50.000 pesos
• Circuito PCB: 20.000 pesos
• Conectores y cable: 5.000 pesos
Equipos e Instrumentación cubre el conjunto de dispositivos a usar: estación de soldadura, osciloscopio,
mult́ımetro,etc; asi como las sesiones de uso de laboratorios. La parte de capacitación es necesaria
debido a que se necesita conocer a profundidad el equipo y los protocolos de medida. Finalmente se
aclara que la parte de software sale 0 pesos debido a que se va a utilizar software libre.
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Referencias
[1] E. Chan and G. Baciu. Introduction of Global Positioning System, pages 121–136. Wiley-IEEE
Press, 2012.
[2] A. Molisch. GSM Global System for Mobile Communications, pages 587–620. Wiley-IEEE Press,
2011.
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	Introducción
	Descripción de la problemática
	Material Particulado
	Equipo de Medición
	Metodología de las Mediciones Ambientales
	Planteamiento de problema
	Justificación del trabajo
	Marco teórico, conceptual e histórico
	Marco Teórico
	Marco Conceptual
	Marco Histórico
	Caracterización del proyecto
	Objetivo General
	Objetivos Específicos
	Caracterización de la solución
	Métodos
	Materiales
	Metodología de prueba
	Validación de los resultados del trabajo
	Validación de almacenamiento correcto de los datos en la SD
	Validación de correcto funcionamiento de alarmas de nivel e interrupciones.
	Validación del almacenamiento de datos en la DB
	Validación del funcionamiento del sistema completo
	Trabajo computacional
	Alternativas de desarrollo
	Raspsberry PI 1 Modelo A
	BeagleBone Black
	Contexto del proyecto
	Suposiciones
	Ámbito Geográfico:
	Ambiente del aplicativo:
	Modo de operación:
	Recursos de Almacenamiento:
	Restricciones
	Recursos Humanos:
	Recursos Físicos:
	Recursos Hardware:
	Recursos Software:
	Recursos Económicos:
	Factores de riesgo
	Distribución de responsabilidades
	Resultados y productos esperados
	Cronograma
	Fase de planeación:
	Fase de Diseño:
	Fase de Desarrollo:
	Fase de Pruebas:
	Fase Documental:
	Presupuesto