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ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO SEDE LATACUNGA
PROYECTO DE GRADO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA E
INSTRUMENTACIÓN
LEOPOLDO GUAGCHINGA MORENO
EDUARDO GUAMANÍ MENA
2012
“DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE MEDICIÓN ELECTRÓNICO DE
GASES CONTAMINANTES Y CONTAMINACIÓN ACÚSTICA EN DOS LUGARES DE LA CIUDAD
DE LATACUNGA UTILIZANDO UN SISTEMA DE TRANSMISIÓN BASADO EN TECNOLOGÍA
ZIGBEE”
Contaminación del aire
• El aire es la masa gaseosa que constituye la atmósfera, y que forma una capa de protección para los seres vivos.
• Se considera contaminado cuando contiene
cualquier substancia o materia que por estar dispersa en el aire causa molestias, enfermedades o muerte a las personas, animales y plantas.
Contaminantes sólidos del aire
• El contaminante tóxico es el plomo, el cual se agrega al petróleo para evitar explosiones durante la combustión de la gasolina.
• Los principales efectos del plomo son:
– Alteraciones en el sistema nervioso central – Destruye la vegetación, los peces y las aves
marinas.
Contaminantes gaseosos del aire
• Monóxido de carbono (CO) – Este gas es una combinación de carbono y oxígeno. – Son emitidos por los vehículos de combustión interna. – Produce dolor de cabeza, mareo, cansancio, dificultad
en respirar, perdida de la visión y la muerte.
• Dióxido de carbono o gas carbónico (CO2) – Es el producto normal de procesos como la respiración,
la descomposición y la combustión. – Puede ocasionar vómitos, paros respiratorios,
convulsiones y muerte.
Contaminación acústica
• Ruido
– Es todo lo que oímos y podríamos definirlo como un sonido desagradable.
–Produce el estrés, alteraciones del sueño, disminución de la atención, depresión, agresividad y pérdida de la audición.
Tipos de ruidos
• Ruido continuo
– Es aquel cuya intensidad se mantiene constante a lo largo del
tiempo. Por ejemplo: el ruido de un motor eléctrico.
• Ruido intermitente
– Es cuando el nivel de ruido aumenta y disminuye rápidamente.
Por ejemplo: el accionar un taladro.
• Ruido de impacto
– Es aquel que eleva su intensidad de forma brusca pero que
desaparece en un periodo corto de tiempo. Por ejemplo:
explosiones, colisión de carros, cierre de puertas.
ZigBee
• Es una tecnología de comunicación inalámbrica basada en el estándar IEEE 802.15.4.
• Consigue comunicaciones seguras y fiables con bajo consumo de energía.
• Trabaja en las frecuencias de 2.4GHz, 868MHz y 915MHz.
• Velocidad de transmisión de 250 Kbps.
• Soporta hasta 255 nodos.
• Baja tasa de transferencia de datos.
• Funciona en topología árbol, estrella o malla.
• Son de bajo costo.
Tipos de Dispositivos
• Coordinador ZigBee (ZC) – Hay uno por red. – Se encargar de controlar la red y los caminos que deben
seguir los dispositivos para comunicarse entre ellos.
• Router ZigBee (ZR)
– Conecta dispositivos separados en la red. – Se vincula con el coordinador o con otro router. – Es capaz de dirigir los mensajes entre dispositivos.
• Dispositivo final (ZED)
– Se comunica con un coordinador o un router. – No transmite información a otros dispositivos finales.
Topología
Topología en estrella • El coordinador está en
el centro de la red. • Los routers y los
dispositivos finales, son controlados por el coordinador.
• El coordinador indica el momento en que pueden transmitir.
Topología en árbol • Los dispositivos finales
pueden unirse unos con otros por medio de routers.
• Aumenta el número de nodos.
• Ampliar físicamente el rango de alcance de la red.
Topología en malla
• Los routers pueden comunicarse entre sí.
• Sirven para unir a los dispositivos finales.
Aplicaciones
Sensor de CO (MQ-7)
• Mide concentraciones de Monóxido de Carbono en el aire.
• Su salida de voltaje es analógico.
• Alta sensibilidad
• Tiempo de respuesta rápido.
Sensor de CO (MQ-7)
SÍMBOLO NOMBRE DEL PARÁMETRO
CONDICIÓN TÉCNICA
Vc Voltaje del circuito 5V ± 0.1
VH(H) Voltaje de calentamiento
(alto) 5V ± 0.1
VH(L) Voltaje de calentamiento
(bajo) 1.4V ± 0.1
RL Resistencia de carga Se puede ajustar
TH(H) Tiempo de
calentamiento (alto) 60 ± 1 segundos
TH(L) Tiempo de
calentamiento (bajo) 90 ± 1 segundos
Rango de detección 20ppm-2000ppm de monóxido de
carbono
Sensor de CO2 (MG-811)
• Mide concentraciones de Dióxido de Carbono.
• Alta sensibilidad.
• Buena estabilidad.
• Se utiliza para el control de calidad de aire.
Sensor de CO2 (MG-811)
SÍMBOLO NOMBRE DEL PARÁMETRO CONDICIÓN TÉCNICA
VH Voltaje de
calentamiento 6.0 ± 0.1 V
IH Corriente de
calentamiento 200mA
Tao Temperatura de
operación -20°C +50°C
Salida 30 – 50mV
Rango de detección 350 – 10000ppm CO2
Micrófono
Electret HMC10A • Barato y fácil de encontrar.
• Es resistente.
• Buena sensibilidad.
ESPECIFICACIÓN HMC10A
Voltaje 1.5V
Consumo de corriente ≤ 0.5mA
Rango de frecuencia 100 ~ 10000Hz
Microcontrolador ATMEGA644
Características: • Alimentación de 2.7V – 5.5V • Dos Timer/Contadores de 8 bits. • Un Timer/Contador de 16 bits. • 6 Canales para PWM. • ADC de 10 bits y 8 canales • Dos puertos seriales USART. • Comparador analógico. • 32 registros de trabajo de 8 bits. • 64K bytes de memoria programable.
Descripción de Pines
• VCC: Alimentación de voltaje digital.
• GND: Tierra. • Puerto A (PA7:PA0): Entradas
analógicas para el conversor análogo digital, también sirve como un puerto bidireccional de 8 bits.
• Puerto B (PB7:PB0), Puerto C (PC7:PC0), Puerto D (PD7:PD0): Es un puerto bidireccional de 8 bits de E/S.
• RESET: Es para resetear el microcontrolador.
• XTAL1: Entrada para el oscilador. • XTAL2: Salida del oscilador.
Módulo Zigbee XBP24BZ7
ESPECIFICACIÓN Xbee-PRO S2B
Banda de frecuencia 2.4GHz
Temperatura de operación -40°C a 85°C
Voltaje de alimentación 2.7 – 3.6V
Corriente en transmisión 205mA
Corriente en recepción 47mA
Potencia de transmisión 63mW
Tasa de transferencia 250Kbps
Distancia en interior 90m
Distancia en exterior (línea de vista) 1500m
Conector de antena RP-SMA
Distribución de pines
PIN NOMBRE DIRECCIÓN DESCRIPCIÓN
1 VCC - Fuente de alimentación
2 DOUT Salida Salida de datos UART
3 DIN/
Entrada Entrada de datos UART
10 GND - Tierra
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN
Cada módulo fijo se compone de un sensor de monóxido de carbono (CO) y dióxido de carbono (CO2), además posee un medidor de ruido sonoro; las señales generadas están acondicionadas para que el microcontrolador las adquiera y las muestre en un LCD. Esta información es transmitida mediante dispositivos ZigBee a una central de monitoreo y como respaldo de esta información se almacena en una memoria SD.
MIC
RO
CO
NTR
OLA
DO
R
SENSOR CO
SENSOR CO2
SENSOR RUIDO
LCD
TARJETA DE MEMORIA
ZIGBEE
Sensor MQ-7
Sensor MG-811
Medidor de ruido
Consta de un micrófono Electret HMC10A, que está alimentado por una fuente del voltaje a través de una resistencia.
Medidor de ruido
• Etapa de pre amplificación.
Medidor de ruido
• Etapa de amplificación.
Medidor de ruido
• Filtro.
Adquisición de datos
• La adquisición de las señales de los sensores MQ-7, MG-811 y del medidor de ruido se hace a través de los conversores análogo-digital del microcontrolador.
Visualización de datos
• La visualización de los datos procesados por el microcontrolador son presentados en un LCD de 4 líneas de 20 caracteres cada una, con lo que se puede mostrar 80 caracteres en total.
Almacenamiento de datos
• Se lo hace en una memoria SD que se alimenta con 3.3V, además como el microcontrolador posee señales de 5V es necesario realizar un divisor de tensión que reduce el voltaje a 3V.
Transmisión y recepción de datos
• Se utiliza los dispositivos Xbee que se alimenta de 3.3V, el pin 2 es el transmisor y el pin 3 es el receptor, solo se necesita de estos 4 pines.
Esquema general del sistema
Implementación del Hardware
Montaje de los elementos
Vista interior y exterior
Vista inferior
Diseño del Software
Diagrama de flujo del Microcontrolador • El programa desarrollado permite:
– Adquirir. – Procesar. – Guardar. – Enviar.
Información de los valores medidos por los módulos.
Diagrama de flujo del uC
INICIO
CONFIGURACIÓN COM, ADC
DECLARACIÓN DE CONSTANTES Y VARIABLES
INCLUIR LIBRERÍA SD
DECLARACION PINES LCD,RTC Y SD
OBTENEMOS FECHA Y HORA ACTUAL DEL RTC
CREACIÓN DEL ARCHIVO EN EXCEL
INICIALIZAMOS VARIABLES EN CERO
1
Diagrama de flujo del uC
1
DATO EN EL PUERO SERIAL
OBTENEMOS VALORES DEL MUESTREO
2
NO
SI
TRANSFORMAR A ppm y dB
GUARDAR VALORES EN SD
3
SUBRUTINA DE MUESTREO
MOSTRAR VALORES EN LCD
Diagrama de flujo del uC
2
TRAMA CORRECTA
IDENTIFICAR DATOS SERIALES RECIBIDOS
NO
SIENVIA "DATE"
ENVIA "TIME"
ENVIA DIRECCIÓN uC
IGUALAR LA FECHA
IGUALAR LA HORASI
SI
NO
NO
3
SI
NO
TRANSMITE DATOS DE LOS SENSORES
Configuración de los dispositivos XBEE
• Se utilizó el
software X-CTU
y la tarjeta Xbee
Explorer.
Configuración de los dispositivos XBEE
• Si la comunicación es correcta se puede ver el tipo de módulo, la versión del firmware y su número de serie.
Configuración como coordinador AT
PAN ID = 100, es el
número de identificación
de la red.
DH = 0 y DL = FFFF, este se
refiere a la dirección
Broadcast.
Configuración como End Device AT
PAN ID = 100.
DH = 13A200, número asignado por el fabricante.
DL = 4098B245, se coloca el número de serie del módulo Xbee al cual va a transmitir.
Diseño de la interfaz gráfica
• Se elaboró en el software LabVIEW.
Diagrama de flujo de la interfaz gráfica
INICIO
CONFIGURACIÓN PUERTO COM
INICIALIZAR VARIABLES A CERO
TOMAR FECHA Y HORA DE LA PC
INICIO PROCESO
SETEAR FECHA SETEAR HORA
ENVÍA POR PUERTO COM LA FECHA
ENVÍA POR PUERTO COM LA HORA
SI
NO
1
SISI
NO NO
Diagrama de flujo de la interfaz gráfica
PEDIR DATOS (START)
VARIABLE OUT1=1
DATOS VÁLIDOS
ENVÍA DIRECCIÓN MÓDULO 2
SINO
1
SI
NO
ENVÍA DIRECCIÓN MÓDULO 1
RECEPCIÓN DE DATOS
ESCRIBIR DATOS EN EXCEL
GRAFICAR DATOS
DATOS VÁLIDOS
NO
RECEPCIÓN DE DATOS
RENOVAR DATOS SI
ESCRIBIR DATOS EN EXCEL
GRAFICAR DATOS
2
Diagrama de flujo de la interfaz gráfica
2
ESPERAR 1250ms
CAMBIAR EL VALOR DE LA VARIABLE OUT1
ESCRIBIR DATOS EN EXCEL DE LOS DOS MÓDULOS
BOTON STOP
FIN
1
SI
NO
Análisis de resultados
Para el análisis de los datos, se decidió realizar una semana de mediciones del 15 de octubre al 21 de octubre del 2012, colocando el módulo 1 en el sector de El Salto y el módulo 2 en el sector La Estación para obtener diferentes muestras.
Comparación entre los dos módulos por horas
El nivel de ruido en el sector de El Salto es mayor que en el sector de La Estación, desde las 06:00 de la mañana hasta las 21:00.
64 62 66 66 67 69
80 83 81 79 79 80 85 87 87 85 83 82
86 86 81
76 73 68
69 68 68 69 70 70 72 74 72 71 72 72 73 72 71 72 71 72 75 73 71 71 70 70
0
20
40
60
80
100
0:0
0
1:0
0
2:0
0
3:0
0
4:0
0
5:0
0
6:0
0
7:0
0
8:0
0
9:0
0
10
:00
11
:00
12
:00
13
:00
14
:00
15
:00
16
:00
17
:00
18
:00
19
:00
20
:00
21
:00
22
:00
23
:00
dB
Tiempo [hh/mm/ss]
RUIDO
EL SALTO LA ESTACIÓN
Comparación entre los dos módulos por horas
La concentración de monóxido de carbono (CO) en el sector El Salto es inferior a la del sector La Estación, solo siendo superior en ciertas horas.
65 62 61 60 63
76
109 117
102 102 104 105 106 106 101 102
110
132 137 140
120 114
87
71
95 86
81 73 71
83
104
136 129
107 105 105 113
126 130 123 119 122
127 129
117 115
102 97
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0:0
0
1:0
0
2:0
0
3:0
0
4:0
0
5:0
0
6:0
0
7:0
0
8:0
0
9:0
0
10
:00
11
:00
12
:00
13
:00
14
:00
15
:00
16
:00
17
:00
18
:00
19
:00
20
:00
21
:00
22
:00
23
:00
pp
m
Tiempo [hh/mm/ss]
CO
EL SALTO LA ESTACIÓN
Comparación entre los dos módulos por horas
En el sector de La Estación la concentración de dióxido de carbono (CO2) es mayor.
411 408 406 405 409 419 440 449 437 439 439 438 437 439 437 439 447 459 477 464 454 449 430 418
508 502 499 483 470 486
547
624 591
568 548
516 529 541 553 538 530 543 559 566 532 530 520 515
0
100
200
300
400
500
600
700
0:0
0
1:0
0
2:0
0
3:0
0
4:0
0
5:0
0
6:0
0
7:0
0
8:0
0
9:0
0
10
:00
11
:00
12
:00
13
:00
14
:00
15
:00
16
:00
17
:00
18
:00
19
:00
20
:00
21
:00
22
:00
23
:00
pp
m
Tiempo [dd/mm/aa]
CO2
EL SALTO LA ESTACIÓN
Comparación entre los dos módulos por días
72
84
76 74 79
88
68
67 71
68 66
75 78
69
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Lunes15/10/12
Martes16/10/12
Miércoles17/10/12
Jueves18/10/12
Viernes19/10/12
Sábado20/10/12
Domingo21/10/12
dB
Tiempo [dd/mm/aa]
RUIDO
EL SALTO LA ESTACIÓN
El ruido en el sector de El Salto es mayor que en el sector La Estación en los seis primeros días de medición, solo siendo inferior el día domingo.
Comparación entre los dos módulos por días
89
114 106 108 109
118
83
105
118 109
104 112
120 115
0
20
40
60
80
100
120
140
Lunes15/10/12
Martes16/10/12
Miércoles17/10/12
Jueves18/10/12
Viernes19/10/12
Sábado20/10/12
Domingo21/10/12
pp
m
Tiempo [dd/mm/aa]
CO
EL SALTO LA ESTACIÓN
La concentración de monóxido carbono (CO) en La Estación es mayor que en El Salto, exceptuando el día jueves en donde la concentración es menor.
Comparación entre los dos módulos por días
411 442 431 426 434 448
408
506 542 523
496 529
586
530
0
100
200
300
400
500
600
700
Lunes15/10/12
Martes16/10/12
Miércoles17/10/12
Jueves18/10/12
Viernes19/10/12
Sábado20/10/12
Domingo21/10/12
pp
m
Tiempo [dd/mm/aa]
CO2
EL SALTO LA ESTACIÓN
La presencia de dióxido de carbono (CO2) en La Estación es mayor que en El Salto en todos los siete días de medición.
CONCLUSIONES
• Se diseñó e implementó un sistema de medición y monitoreo de ruidos y gases contaminantes utilizando sensores de monóxido de carbono, dióxido de carbono y amplificadores operacionales para la construcción del medidor de ruido que permiten cumplir con los objetivos del proyecto.
• Una selección correcta de cada uno de los elementos que conforman el proyecto, posibilitan el buen desempeño del sistema de medición .
CONCLUSIONES
• La elección del software LabVIEW en el diseño de la interfaz gráfica, facilitan el desarrollo de las aplicaciones para el monitoreo y manejo de la información.
• Al observar las gráficas resultantes de las mediciones realizadas en el sector de El Salto y el sector La Estación, se pudo determinar que el día martes y sábado se presenta el mayor nivel de ruido, monóxido y dióxido de carbono.
CONCLUSIONES
• Se determinó que en el sector La Estación existe mayor concentración de monóxido y dióxido de carbono, a causa de ser un lugar de salida hacia las diferentes ciudades.
• Se conoció que existe mayor nivel de ruido sonoro en el sector de El Salto, por ser una zona comercial y de afluencia de automotores.
CONCLUSIONES
• Determinamos que el ruido sonoro en El Salto y en La Estación no cumplen con el reglamento a la Ley de Gestión Ambiental para la Prevención y Control de la Contaminación, establecidas por el Ministerio del Ambiente del Ecuador.
• Se determinó que en El Salto y en La Estación la
concentración de dióxido de carbono está dentro del rango establecido por el estándar de la ASHRAE, en cambio la concentración de monóxido de carbono exceden los límites permitidos.
RECOMENDACIONES
• Es necesario revisar la documentación de los sensores, para poder comprender su funcionamiento, ya que se dañaría si hay una mala manipulación del elemento.
• Para este proyecto se utilizó elementos electrónicos, es recomendable colocarlos en una caja impermeable para que se proteja de los agentes externos como lluvia, polvo, etc.
RECOMENDACIONES
• De acuerdo a los resultados registrados se debe tomar medidas que regulen y controlen la emisión de gases provenientes de la combustión de motores de vehículos que circulan en la ciudad.
• Como la principal causa de contaminación en esta ciudad son los vehículos, se aconseja regular el parque automotor para que no se vea afectada como en las grandes ciudades.
RECOMENDACIONES
• Se recomienda el uso de estos módulos de medición en la revisión vehicular para verificar que el automotor no este emitiendo niveles excesivos de contaminación.
• Se recomienda capacitar a la población sobre los riesgos que existe al estar expuesto a este tipo de contaminación, y así tomar las precauciones necesarias para que su salud no se vea afectada.
