DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO PARA LA MEDICIÓN Y ENVÍO DE DATOS DE UN CONTENEDOR DE RESIDUOS E INTERFAZ
GRAFICA PARA EL MANEJO DE GESTION DE RESIDUOS
VARGAS RINCON FABIÁN FELIPE PAIPA CELIS MIGUEL ANGEL
DIRIGIDO POR:
PH.D, MSC. ROBERTO FERRO ESCOBAR
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD DE INGENIERÍA
INGENIERÍA ELECTRÓNICA
BOGOTÁ D.C.
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO PARA LA MEDICIÓN Y ENVÍO DE DATOS DE UN CONTENEDOR DE RESIDUOS E INTERFAZ
GRÁFICA PARA EL MANEJO DE GESTIÓN DE RESIDUOS
VARGAS RINCON FABIÁN FELIPE
20082005085
PAIPA CELIS MIGUEL ANGEL
20072005052
Trabajo de grado para optar al título de
Ingeniero Electrónico
DIRIGIDO POR:
PH.D, MSC. ROBERTO FERRO ESCOBAR
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD DE INGENIERÍA
INGENIERÍA ELECTRÓNICA
BOGOTÁ D.C.
Dedico esta Monografía a Dios, nuestras familias, amigos y compañeros, quienes nos guiaron y apoyaron en el proceso de nuestra vida académica en la universidad, y a aquellos que hicieron parte fundamental en nuestra etapa de desarrollo como futuros ingenieros.
A los docentes que nos instruyeron para formarnos como profesionales y a nuestro director y revisor de monografía quienes nos ayudaron a lograr las metas deseadas, Todo este trabajo ha sido posible gracias a ellos.
DERECHOS DE AUTORES
Nosotros, Vargas Rincón Fabián Felipe y Paipa Celis Miguel Ángel Declaramos bajo
juramento que el trabajo aquí contenido es de nuestra autoría; que no ha sido presentado para
ningún grado o calificación profesional; que para la realización del mismo se ha consultado,
recopilado y referenciado información de diversas fuentes, las mismas que se incluyen en la
bibliografía de este documento. Por tanto también declaramos que en caso de que si este
documento es utilizado con fines de desarrollo o consulta se le haga el proceso legitimo legal
frente a su utilización.
Firma: --- Vargas Rincón Fabián Felipe
Resumen
El presente documento explica el proceso, elaboración y desarrollo que se llevó a cabo para la
implementación de un sistema, que permita el sensado y envío de datos en un contenedor de
residuos a una red central (Servidor Web), para ello se dividió el proceso en 3 etapas, la
etapa de medición, comunicación y visualización de los datos. Este documento menciona el
proceso llevado en cada una de las etapas, siguiendo un proceso de análisis, desarrollo
pruebas, experimentación y resultados, donde se llevaron a cabo los objetivos planteados en
Abstract
In this paper is show about the process, preparation and development carried out for the
implementation of a system that allows the census, and sending data in a waste container to a
core network (Web Server), this paper explain to It showed that there are 3 stages, stage sensing,
communication and data visualization. This document mentions the process carried in each
stage, following a process of analysis, development testing, and results obtained. Where this
Tabla de contenido
1. Introducción ………16
2. Marco teórico……….18
2.1. El RSU, el reciclaje y normatividad de los residuos en Colombia………18
2.2. Sensores……….20
2.3.Modulos Zigbee………..21
2.4. Wireless Sensor Networks e internet de las cosas……….23
2.5 Rpasberry Pi………..25
2.6. Datos históricos en el área de Bogotá………..………27
2.7. Criterio de selección de recolección………...30
2.7. 1. Frecuencia de llenado……….30
2.7. 2. Nivel de residuos………31
2.7. 3. Temperatura………34
2.7. 4 Humedad………..37
2.7. 5. Peso, volumen y otros……….42
2.7.6. Asignación de alerta según los parámetros………..44
3.Metodologia y procesos……….46
3.1. Etapa de construcción y diseño del Hardware……….46
3.2. Etapa de implementación y programación para el establecimiento de la comunicación………74
3.3. Etapa de implementación y programación para el establecimiento de la comunicación...90
3.4. Proceso de desarrollo de la pagina web………..94
4. Resultados………..94
4.2. Resultados de la comunicación………..108
4.3. Resultados de la pagina web………119
5.Trabajos futuros……….121
6.Conclusiones………122
7.Referencias……….123
Lista de tablas
Tabla 1 Características de los dispositivos Xbee………...……22
Tabla 2 Características de los dispositivos Rapsberry………..…….27
Tabla 3 Temperaturas anuales en Bogotá………..………28
Tabla 4 Temperaturas en diversas zonas de Bogotá, 2006……….….. 28
Tabla 5 Tiempo de degradación de algunos materiales….………... …32
Tabla 6 Tiempos de incubación y crecimiento de la mosca …….………..34
Tabla 7 Asignación por temperatura al Valor DiasPredefinidos ………...35
Tabla 8 Humedad residuos sólidos urbanos……….38
Tabla 9 Categorización de contenedores………...44
Tabla 10 Tabla de Tipos, base de funcionamiento y selección de sensor de temperatura…46 Tabla 11 Tabla comparativa de sensores de humedad ……….48
Tabla 12 Tabla de Frecuencia de salida a 6600kHz para 55%RH………..52
Tabla 13 Tabla comparativa de los sensores de temperatura y humedad………58
Tabla 14 Tabla comparativa de los sensores de nivel………..58
Tabla 15 Datos obtenidos por la caracterización del sensor de temperatura………60
Tabla 16. Tabla comparativa de los sensores de temperatura………..62
Tabla 18. Tabla comparativa de Galgas extensiometricas………66
Tabla 19. Tabla de los resultados obtenidos con el sensor de humedad a diseño de los
autores………99
Tabla 20. Tabla de los resultados obtenidos con el sensor de distancia en varios
materiales...102
Tabla 21. Tabla de datos obtenidos con el sensor de distancia bajo cierta circunstancia….103
Tabla 22. Tabla de datos obtenidos caracterización de peso………104
Tabla 23.Tabla de datos obtenidos de la comunicación a diferentes distancias con xbee….115
Lista de Gráficas
Figura 1. Logotipo internacional del reciclaje……….18
Figura 2. Bosquejo del funcionamiento del sensor de ultrasonido………....19
Figura3.Imagen del Sensor de peso……….. 20
Figura 4. Protocolo de mensajería MQTT……….25
Figura 5. Tarjeta Rapsberry pi………26
Figura 6.Tabla de datos de humedad relativa en el año 2006……….29
Figura 7. Datos de Humedad relativa en Bogotá, Agosto del 2016………..29
Figura 8. Datos característicos y etapas del Compostaje………36
Figura 9. Mejores humedad para la salud humana……….39
Figura 10.Tabla para hallar el punto de roció………41
Figura 11.Sensor de humedad HS101………...48
Figura 12. Configuración circuito Astable TLC555………..49
Figura 13. Diagrama de flujo para la caracterización del sensor de humedad………51
Figura 14. Configuración propuesta para el HS1101, propuesta por el fabricante..………….52
Figura 15. Diagrama de flujo de la caracterización del sensor por RC……….54
Figura 16.Diseño de circuito como fuente de corriente………55
Figura 17. Diseño del circuito para la oscilación del sensor de humedad……….56
Figura 18. Grafica de Corriente vs temperatura del LM35 y sensor LM35………..59
Figura 19. Sensor HCSR04 de ultrasonido………63
Figura 20. Funcionamiento del sensor HCSr04………63
Figura 21. Diagrama de flujo del código del sensor HC SR04………65
Figura 23. Puente Wheastone en celdas de carga semiconductoras………..68
Figura 24. Conexión con Operacional de instrumentación y el sensor de peso………69
Figura 25. Sensor HX711………..69
Figura 26. Funcionamiento sensor HX711………70
Figura 27. Atmega 328p………....71
Figura 28. Diagrama de flujo del funcionamiento del microcontrolador……….72
Figura 29. Corriente de alimentación en modo ahorro de energía………...74
Figura 30. Xbee pro s3……….…75
Figura 31. Flujo de datos de los módulos Xbee………....76
Figura 32. Asignación de roles en xbee ………...77
Figura33. Esquema clásico de conexión microcontrolador………...77
Figura34. Software de estado para un módulo xctu………79
Figura35.Secciones del sistema de pruebas de comunicación xbees……….80
Figura36.Características para la comunicación del puerto serial Xbee………..80
Figura37. . Grafica de potencia de transmisión y envió de paquetes en el transcurso de tiempo real………81
Figura38.Mensaje para el sistema Payload-trama del mensaje……….82
Figura39 Tabla comparativa de pérdidas por inserción en distintos materiales……….83
Fig.40 Fenómeno de difracción………84
Fig.41. Fenómeno de difracción………84
Fig.42 Fenómeno de dispersión……….85
Figura43. Proceso conexión Broker-cliente………..87
Figura44. Proceso suscripción único nivel tema………..…89
Figura 45. Proceso suscripción tema multiniveles………90
Figura 47. Logotipo API google maps………..…96
Figura 48.Conexion del sensor de temperatura……….97
Figura 49.Resultados caracterización del sensor de temperatura vs la tomada por el termómetro……….98
Figura 50.Resultados caracterización del sensor de temperatura con ajuste vs la medida por el termómetro ………...98
Figura 51. Rangos máximos y mínimo del sensor de temperatura según fabricante…………99
Figura 52. Resultados del diseño para el sensor de humedad capacitivo diseñado por los autores………100
Figura 53.Resultados de la implementación del sensor de humedad dados por el fabricante ...100
Figura 54. Diseño de conexión del sensor de nivel……….101
Figura 55. Conexiones puente Whinstone, HX711……….104
Figura 56.Resultados caracterización del sensor de peso………104
Figura 57. Opciones de las estructuras a utilizar para equilibrar el peso………105
Figura 58. Estructura obtenida ………106
Figura 59.Diseño de baquelita superior………..107
Figura60. Diseño de baquelita inferior………107
Figura61. Esquema conexión red de sensores -XBee - Raspberry-servidor (nube)……….108
Figura62. Prueba # 1: Sala GITEM a aproximadamente 4 metros de distancia……….109
Figura63. Nodo fijo puesto en la Sala Gitem ………..109
Figura64. Prueba # 2: Resultados obtenidos en la Sala Gitem a 5to piso U distrital, aproximadamente 15m……….110
Figura66. Prueba # 3: Resultados obtenidos en el Cuarto piso de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Sede Sabio Caldas, aproximadamente 20m de distancia con el punto
fijo………111
Figura 67. Ubicación para la prueba del cuarto piso sede sabio Caldas………111
Figura68. Prueba # 4: Resultados obtenidos en el Tercer piso de la universidad Distrital Francisco José de Caldas, Sede Sabio Caldas, aproximadamente 24m de distancia con el punto fijo………112
Figura 69. Ubicación para la prueba del tercer piso sede sabio Caldas………112
Figura70. Prueba # 5: Resultados obtenidos en el segundo Piso de la Universidad Distrital Francisco José de caldas, Sede Sabio Caldas, aproximadamente 28m de distancia con el punto fijo………113
Figura71. Ubicación para la prueba del segundo piso sede sabio Caldas………113
Figura72. Prueba # 6: Resultados obtenidos en el Primer piso Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Sede Sabio Caldas, aproximadamente 38m de distancia con el punto fijo…...114
Figura73. Ubicación para la prueba del primer piso sede sabio Caldas……….114
Figura74.Codificación programa en Raspberry (Python)………116
Figura75.Logotipo mosquitto (Broker MQTT)………116
Figura76.Configuración puertos mosquitto en archivo………117
Figura77. Codificación programa en Servidor (RITA)………...118
Figura78. Información tabla de datos en phpmyadmin………119
Figura79. Página de inicio de la página Web………119
Figura 80. Página de información a normatividad y contenedores………...120
Figura 81. Sección de página explicando el funcionamiento del sistema de entrono grafico.120 Figura 82. Sección de página del funcionamiento del sistema………..120
Figura 83. Diseño electrónico del prototipo………127
Figura 83. Estructura física para equilibrar el peso en el sensor………127
Figura 85. Prototipo ajustado en la parte de la tapa inferior para la medición de las características………..127
Figura 86. Colocación de la estructura para el equilibrio de la medición de peso en los residuos………128
Figura 87. Colocación del sensor de peso en el contenedor……….128
Figura 88. Prototipo para el sensado en el contenedor asignado en la tapa inferior…………128
Figura 89. Prototipo para la medición y sus partes……….130
1. Introducción
Mejorar la calidad de vida en la sociedad, es la prioridad en el desarrollo económico,
político y social del siglo XXI. Bajo el concepto de internet de las cosas; los objetos usados
en la vida cotidiana son implementados con protocolos de comunicación que les permita la
comunicación entre sí con los usuarios, haciendo parte de internet y logrando una interacción
más amplia entre los datos generados para gestionar nuevos servicios a la sociedad (Zanella,
Bui, Castellani, & Zorzi, 2014). Así mismo el uso de los recursos (tiempo, espacio, aire) es
campo de mejora continua para el desarrollo tecnológico actual y futuro.
Uno de los principales paradigmas enfocados en mejorar la calidad de vida de una
sociedad es el de "ciudades inteligentes", busca el progreso a través de la optimización del
tiempo (como compras, pagos en línea), supervisión y control de espacios (puertas, semáforos
que controlen tráfico vehicular o peatonal), entre otros (del tipo inteligente), control,
distribución y uso de servicios, etc. Para el progreso de la “ciudad inteligente”, uno de los
detalles imperantes es la gestión de residuos dentro del marco establecido en SWIFT (Smart
Wsn based Infraestructural Framework for Smart Transactions) (Nandury & Begum, 2015).
Tecnologías como WSN (wireless sensor networks) logran mediante una red de sensores
inalámbricos, solventar de alguna forma este inconveniente; planteando soluciones donde se
abarca el diseño de una red inteligente que es capaz de transmitir y compartir información
mediante nodos, para poder llevar a cabo una tarea específica y recopilar dicha información,
para hacerla disponible en internet y tomar medidas necesarias.
La tecnología WSmM ha sido implementada sobre el protocolo IEEE 802.15.4
de redes, es un factor limitante en la implementación de un sistema de sensores. Además de
lograr un bajo consumo energético en la gestión y transmisión de datos, los módulos Zigbee
están desarrollados para realizar dichas tareas. El propósito final del proyecto es: realizar un
prototipo funcional de un sistema integrado de sensores, microcontroladores y software de
mensajería que establezca una interconexión entre el usuario y el elemento a sensar, mediante
internet, Para así proseguir en el despliegue de la aplicación, poder analizar la información y
2. Marco teórico
Para el diseño, implementación del modelo y la implementación de software fue necesaria
realizar algunas consultas que fueron base para la elaboración, proceso y finalidad del
proyecto, por tanto son elementos que fueron imprescindible para la culminación del proyecto
y su mención es necesaria.
2.1. El RSU, el reciclaje y normatividad de la gestión de residuos en Colombia
Los residuos sólidos urbanos. (RSU) son los residuos que no son del tipo gaseosos o
líquido, y se generan usualmente en domicilios residenciales, industriales, oficinas, servicios y
centros urbanos. Para el aprovechamiento de los residuos sólidos se utiliza el reciclaje, el cual
es el proceso mediante el cual se transforman materiales usados, que podrían parecer
inutilizables o desechables en recursos muy valiosos, tanto para la económica, el ambiente,
para la generación de energía, para reutilizarse, entre otras.
Algunos de los beneficios del reciclaje son:
Reduce la necesidad de vertederos de basura y la incineración de esta.
Reduce las emisiones de efecto de gas invernadero, contribuyendo así a ralentizar la
perdida de capa de ozono.
Ahorra recursos primarios como lo son el agua, la madera y los minerales
Evita la contaminación por la creación de nuevos objetos realizados con materiales
primarios. (RECICLAJE Y SU APORTE EN LA EDUCACIÓN AMBIENTAL,
Álvarez Carina).
La norma GTC 024 es la encargada de regir y dar norma a la recolección de residuos en
Colombia y por ende a Bogotá, donde hace mención de que los ciudadanos deban dividir sus
residuos de acuerdo a los siguientes contenidos:
En color verde irán los residuos de comida, Cortes y podas de comida vegetales
(residuos orgánicos).
En el color blanco deberán ir los residuos aprovechables como el cartón, papel, vidrio,
plásticos, residuos metálicos , textiles madera , cuero y empaques compuestos
En el color Negro deberán ir los residuos no aprovechables como el papel tissue , papeles
encerados, plastificados, cerámicas, vidrio plano, huesos, material de barrido, cotillas
de cigarrillo , materiales de empaque y embalajes sucios
En base a esta clasificación se elaboró el proyecto el cual está orientado para su
2.2 Sensores
Son dispositivos capaces de medir magnitudes físicas o químicas y transformar esos
datos en otra magnitud usualmente eléctrica o un desplazamiento con el fin de darle una nueva
escala, previamente conocida, los sensores están hechos de tal forma que se vean afectados
por el efecto físico que desean medir, ejemplo: un termómetro de mercurio se dilata
dependiendo de la temperatura que mide (Instrumentación Industrial, Antonio Creus). Los
sensores que se utilizaron para este proyecto fueron:
Sensor de nivel
Son sensores que se encargar de medir la distancia en m entre una superficie fija y una
superficie o liquido cambiante bien midiéndola directamente la altura de líquido sobre una
línea de referencia o bien el desplazamiento producido en un rotador por el propio líquido
contenido en el tanque del proceso, para mediciones de líquidos, (Instrumentación Industrial,
Antonio Creus).
Sensor de presión o peso
Es un sensor que detecta los cambios de peso aplicados sobre el sensor, basándose en la
presión por medio de la gravedad sobre una pieza previamente fijada los más utilizados son el
sensor por presión lateral y el sensor por inflexión (Instrumentación Industrial, Antonio
Creus).
Figura 3. Imagen del Sensor de peso.
2.3. Módulos Zigbee
Es un estándar de comunicaciones, está basado en el estándar IEEE 802.15.4 de redes
inalámbricas de área personal (wireless personal área Newark, WPAN) y se utiliza en él envió
de información que requiere comunicaciones seguras con baja tasa de envío de datos. Los
módulos Zigbee pueden alcanzar hasta 75 m, su frecuencia se encuentra en los 2,4 Ghz
(Banda libre de frecuencia a nivel mundial).La siguiente tabla muestra algunas de las
El módulo Zigbee puede comunicarse con otros módulos zigbee, por lo que se pueden
configurar dependiendo de si reciben y/o transmiten información. A continuación, se
presentan las especificaciones técnicas de los módulos zigbee (G. H. Z., Transceiver, R. F)
Tabla 1.
Características de los dispositivos Xbee.
PROPIEDAD RANGOS
Banda de frecuencia 2.4 GHz
Alcance (2 a 75) m
Latencia Por debajo de 15 milisegundos
Número de Canales 16
Modo de direccionamiento 8 bits de 64 bits de direccionamiento
Canal de acceso CSMA-CA
Seguridad 128 AES
Red Hasta 264 dispositivos
Rangos de temperatura (-40 a 85) ºC
Los ZigBee son dispositivos que pueden ser configurados en tres tipos distintos
Coordinador ZigBee (ZigBee Coordinator, ZC)
El tipo de dispositivo más completo. Debe existir uno por red. Sus funciones son las de
encargarse de controlar la red y los caminos que deben seguir los dispositivos para conectarse
entre ellos, requiere memoria y capacidad de computación.
Router ZigBee (ZigBee Router, ZR)
Interconecta dispositivos separados en la topología de la red, además de ofrecer un nivel
de aplicación para la ejecución de código de usuario, puede ser utilizado para transmitir y enviar
información.
Dispositivo final (ZigBee End Device, ZED)
Posee la funcionalidad necesaria para comunicarse con su nodo padre (el coordinador o
un router), pero no puede transmitir información destinada a otros dispositivos, limitándose solo
a recibir información.
2.4. Wireless sensor Networks e internet de las cosas (IoT)
Se basan en dispositivos de bajo coste y consumo (nodos) que son capaces de obtener
información de su entorno, procesarla localmente, y comunicarla a través de enlaces
inalámbricos hasta un nodo central de coordinación.
En diferentes países y regiones existen avances e ideas con respecto a la recolección
de residuos, una de las más completas es la de "Integrated Sensing and Communication
Technologies for Automated Solid Waste Bin Monitoring System" de Md. Abdulla Al
recolección de residuos inteligente con 3 partes fundamentales, la parte de consta de los
contenedores con sus sensores de peso, temperatura, humedad y nivel de residuos, la segunda
parte consta de la comunicación y los elementos necesarios para él envió de datos y la tercer
parte consta de la estación base, la encargada de la recepción de todos los datos. (Wireless
sensor networks: Current status and future trends. CRC Press).
IEEE 805.15.4
Protocolo para comunicación WSN, dicho estándar fue desarrollado teniendo en
cuenta tasas de transmisión bajas para aplicaciones con baterías y conectividad simple. Se
especifica la comunicación en las bandas (868 a 868.8) MHz, (902 a 928) MHz y (2.400 a
2.483) GHz por tanto la última es la más usada actualmente.
Según el estándar se especifica una tasa de transmisión de 250 kbps y usa el direct
sequence spread spectrum con QPSK desplazada y pulsos semisenusoidal para su modulación
en la transmisión.
Se establecen comunicaciones punto a punto o punto multipunto dando posibilidad a
configuraciones con topología estrella o árbol, coordinador central y nodos remotos (Informe
Técnico: Protocolo ZigBee (IEEE 802.15.4)).
Protocolo MQTT
El protocolo de mensajería MQTT (Message Queue Telemetry Transport) trabaja
mediante el servicio de publicación y suscripción, se maneja en la idea del cliente servidor,
MQTT es diseñado para dispositivos con limitaciones en ancho de banda, alta latencia y redes
poco fiables, está orientado al uso de sensores con bajo consumo de recursos (CPU, RAM,
Usa topología en estrella la cual posee un nodo central (Broker) encargado de gestionar
la red y la transmisión de los mensajes, el cliente envía un paquete periódicamente y esperan
la respuesta del Broker. Además deciden qué tipo de información quieren recibir; es decir, usa
un modo jerárquico el cual el acceso a dicha información se hace mediante una “suscripción al
tópico” o tema en específico (AN INTRODUCTION TO MQTT, A PROTOCOL FOR M2M
AND IoT APPLICATIONS). MQTT define 3 niveles de Calidad de Servicio (QoS), los cuales
establecen la prioridad del mensaje enviado entre el bróker y el suscriptor:
0 no requiere confirmación por parte del suscriptor y se envía una sola vez el mensaje.
1 requiere confirmación por parte del suscriptor y se envía más de una vez si es
necesario.
2 requiere confirmación por parte del suscriptor, se envía una sola vez y el emisor
(Publisher) utiliza un medio seguro con el bróker para evitar la duplicación de los
mensajes. El proceso se realiza más lento y al mismo tiempo más seguro.
Todos los mensajes retenidos por el bróker podrán ser enviados a nuevos suscriptores en
el tiempo y se actualizarán dichos datos si el publicador envía nueva información del tema
(topic), los suscriptores recibirán esta información actualizada en un mensaje (Tiwari,
Parthasarathy, Chatterjee & Krishna 2013).
2.5. RaspBerry Pi
Es un ordenador de placa simple (SBC), que puede ser utilizado en proyectos de
electrónica, muchos de las cosas que hace el PC de escritorio, como hojas de cálculo,
procesamiento de textos , navegación por internet , y jugar juegos , entre otras (Raspberry PI
Projects book).
Figura 5. Tarjeta Raspberry pi
Las características que se pueden encontrar entre los diferentes Raspberry están
definidas en los siguientes valores y rangos (teniendo en cuenta el primer modelo de la
Raspberry hasta el modelo de la Raspberry pi B+)
Tabla 2.
Características de los dispositivos Raspberry.
PROPIEDAD CARACTERISTICAS
SoC BROADCOM BCM2835
700 MHZ
Almacenamiento SD – micro SD
Ethernet 10/100MBPS Disponible desde el modelo B
Tamaño 85,60X56, 5 MM, 65X56,5 MM.
Peso en gr. 23, 45
2.6. Datos históricos en el área de Bogotá
Debido a que el proyecto se planteó en un área geográfica específica, los autores
consideraron que era recomendable adecuar el prototipo en base a las características de estas
zonas, ya que como se explica más adelante, la temperatura de una zona influye sobre los
residuos y así mismos cambiaría el proceso tanto de recolección como la del prototipo; Se
realizaron consultas históricas sobre la humedad y la temperatura en la ciudad de Bogotá, con
el fin de encontrar los valores regulares con los que se podría encontrarse el sistema. En uno
en la tabla 3 durante los últimos 6 años (datos recuperados de
(2007) donde describen y muestran los diferentes datos que hay en las cercanías del rio
Tunjuelito, zonas de mayor cambio de humedad y temperatura en el área de Bogotá, dentro
de los datos más relevantes para este proyecto se encontró:
Tabla 4.
Temperaturas en diversas zonas de Bogotá, 2006
Figura 6. Tabla de la humedad relativa en el año 2006, Bogotá de IDEAM Y FOPAE (2007).
También a través de la herramienta encontrada en
http://www.woespana.es/weather/maps/city desarrollada por CIOH (Oceanografía
operacional), es posible encontrar un registro histórico de la humedad y temperatura en
Bogotá atreves de varios años , dando a conocer los datos de climáticos en la historia de
Bogotá en diversas épocas, algunos de los de los datos más recientes que pueden encontrarse
son los relacionados al mes de agosto del año 2016, donde la herramienta registra los
siguientes datos con respecto a la humedad relativa:
De los datos ilustrados se puede asumir que la temperatura en la ciudad de Bogotá se
encuentra entre (0 – 20) °C mientras que la humedad en la Capital se encuentra entre un rango
mayor al de 60 %.
2.7. Criterio de selección de recolección
Para poder establecer las diferentes señales de alerta, las cuales son ilustradas en la
interfaz gráfica para los diferentes usuarios y entes que intervenga en la recolección de
residuos fue necesario establecer algunos criterios en los diferentes parámetros sensados para
la definición de estas señales.
Debido a que el proyecto está enfocado hacia las características en el sensado de los
contenedores, se verá que en las ecuaciones aquí descritas solo se tiene en cuenta las variables
mencionadas que influyen directamente sobre las mediciones, por tanto en las ecuaciones no
se están teniendo en cuenta ni aplicando varios de los factores que podrían contribuir a una
mejor formulación o criterio de selección tales como, lo son la población en el sector, el sector
donde se aplica el proyecto, promedio de basura por persona, costos, entre otros.
2.7. 1. Frecuencia de llenado
La frecuencia de llenado establece que tan seguido y rápido se llena los contenedores en
un contenedor o punto ecológico en específico permitiendo saber en qué momento es debida
su recolección siendo inherente a los otros factores (aunque los tiempos pueden ser variantes,
con base a los otros parámetros, como lo sería la recolección en navidad o en verano) pues en
la actualidad es la variable con mayor factor de decisión en la mayoría de los programas de
recolecciones cada tercer día o en un tiempo ya estipulado por orden gubernamental debido a
este factor .Los autores consideran este factor importante ya que por ejemplo si un contenedor
está a un 70 % de su capacidad junto con la información previa de su frecuencia de llenado
podría o no ser necesario ir por la recolección de este pues bien el llenado puede tardar días o
solo horas para que este llegue a su tope máximo. Para establecer la frecuencia de llenado se
observa el número de veces que es ingresado los residuos y su variación de nivel durante una
determinada cantidad de tiempo. Aunque este dato es muy relevante para la recolección, no
será tenido en cuenta para la ecuación de alerta de recolección, debido a que es un dato que
es más provechoso en la gestión de enrutamiento y recolección de residuos vehicular.
𝑓𝑟𝑒𝑐. 𝑑𝑒. 𝑙𝑙𝑒𝑛𝑎𝑑𝑜 =(
la recolección de residuos pues frente a un contenedor lleno, los otros factores pasan a ser
casi irrelevantes sin embargo cuando se tienen en cuenta los otros factores como la
temperatura procesos de biodegradación entre otros el nivel de residuos obtiene un valor
diferente de importancia dependiendo el contenido del contenedor; Para tener en cuenta el
valor de selección según el nivel solo es necesario conocer la máxima capacidad del recipiente
y su nivel actual.
𝑆𝑒𝑙𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑁𝑖𝑣𝑒𝑙= 𝑛𝑖𝑣𝑒𝑙𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙
Para definir el grado de importancia en que tendrá la selección de acorde el nivel de los
residuos, este adquiere o disminuye porcentaje de importancia de acorde al contenido que
tenga el contenedor debido a que su periodo de putrefacción o tiempo de biodegradación
cambia de tal manera que su recolección deba ser más pronta, en la tabla 5 se presentan la
biodegradación de algunos materiales:
Tabla 5.
Tiempo de degradación de algunos materiales
Tipo de Material Tiempo Aproximado de degradación
Papel (2 a 5) meses
Cascara de naranja 6 meses
Cascara de lana (1 a 5) años
Colillas de cigarrillo (1 a 12) años
Piel de animal tratada (25 a 40) años
Tela Nylon (30 a 40) años
Latas de aluminio (80 a 100) años
Botellas de vidrio (1000 a 4000) años
Llantas de auto 500 años
Chicles 5 años
Botellas de plástico (100 a 1000) años
Papel 3 semanas a 2 meses
Estaca de madera (2 a 3) años
Plástico 500 años
Vidrio indefinido
Como se puede observar en los residuos, los tiempos de descomposición varían en base
al material lo que conlleva a que se pueda asignar una importancia en el nivel del contenedor
de forma empírica de acorde a estos tiempos, sin embargo se menciona que al estar en un
contenedor los tiempos son más extensos debido a que están menos expuestos al aire, calor y
otros factores que contribuyen a la descomposición, además de que el principal propósito del
pueden tomar otros valores de acorde a lo que se quiera hacer con los residuos. Las
relevancias porcentuales asignadas por los autores en cuanto al nivel de los residuos se
asignan de la siguiente forma:
Contenedor de residuos orgánicos: Como se observa en la tabla 5 los residuos orgánicos
son los más rápidos en degradarse, ya que el nivel en los contenedores no tiene que ver
directamente con la degradación sele asigno un peso de 0.4, para darle importancia a otras
variables.
Contenedor de residuos aprovechables: La mayoría de los residuos aprovechables como se
vio en la tabla 5 tarda años en degradarse y debido a la poca humedad que suele haber en el
contenedor de estos residuos, los factores de salubridad son los mejores para dejar los residuos
un considerable tiempo por tanto se le dio un peso de 0.6 a esta variable en el factor de
recolección de residuos, ya que en cuanto a la variable del nivel solo influiría el “que tan
rápido se deseen aprovechar”.
Contenedor de residuos no aprovechables: Los residuos no aprovechables suelen ser
variados, hay residuos como las colillas de cigarrillo que generan muy poco impacto
ambiental o de salubridad permitiéndoles estar un gran tiempo en el contenedor y hay otros
como los paños húmedos, papel sanitario utilizado, entre otras los cuales sí representan un
problema de salubridad por tanto el nivel para este caso es de 0.5 para que las variables de
2.7. 3. Temperatura
Aunque la temperatura y la humedad son variables que va un tanto de la mano pues
afectan e influyen de una manera similar a los contenedores, son factores que ayudan a
determinar el grado de descomposición, oxidación entre otros. Además de que el crecimiento
de una suele incidir en el crecimiento de la otra; Sin embargo tanto la temperatura como la
humedad tienen diferenciales propios que influyen en la recolección como es el caso de la
incubación de las moscas donde es posible establecer que la influencia de la temperatura
ejerce cambios directos en el proceso de incubación, crecimiento y reproducción de las
moscas tal y como se muestra en la tabla 6(Gòmez, 2005) , donde se observa que a mayor
temperatura el ciclo de vida de la mosca será más rápido, multiplicándose exponencialmente
las mismas y por tanto trayendo mayor insalubridad.
Tabla 6.
Tiempos de incubación y crecimiento de la mosca
Temperatura
Tabla extraída de la revista “SECA”, (Gòmez, 2005)
Para poder establecer la ecuación que defina el criterio de selección en base a la
temperatura es necesario conocer la temperatura promedio que ha tenido el contenedor ya que
residuos orgánicos) se pueda establecer cuando estarán en un estado más avanzado para ello
se utilizara la variable 𝐷𝑖𝑎𝑠𝑃𝑟𝑒𝑑𝑒𝑓𝑖𝑛𝑖𝑑𝑜𝑠 la cual se le asignara el siguiente valor:
Tabla 7.
Asignación por temperatura al Valor 𝐷𝑖𝑎𝑠𝑃𝑟𝑒𝑑𝑒𝑓𝑖𝑛𝑖𝑑𝑜𝑠 Temp promedio
diferentes tipos de materiales donde puede llegar a deformarlos dependiendo de su
composición los más cercanos a la una deformación cercana a la temperatura ambiental son
los materiales de plástico como explican en
https://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm15/fcm15_4.html, Aunque se observa que las
temperaturas están bastante por encima de la temperatura media de Bogotá, no es del todo
descartable la opción de que no se den los casos ya que existen lugares en el mundo donde se
ha llegado a esas temperaturas, además de que existe la posibilidad de un descuido de parte
del usuario ( cerilla del cigarrillo prendido, reacción por calor de un fosforo , entre otros).
La temperatura también afecta al proceso de degradación y compostaje que es raro pero
posible que se de en un contenedor donde hay puntos de temperatura que deben ser tenidos en
cuenta como cuando el compostaje pasa de la fase de misofilia a termofónica en los 40ª
proceso de compostaje, Por ultimo Yan Ru Zhao (2016), hace mención que para que haya
un rango apropiado para mejorar la biodegradación en los residuos esta debería ser entre los
(22 a 45) ºC, resultado obtenido mediante 3 formas de controlar la temperatura.
Figura 8. Datos característicos y etapas del Compostaje,
http://www.infoagro.com/hortalizas/factores_influyen_compostaje_residuos.htm
Con base a los argumentos aquí planteados se llega a la conclusión de que la temperatura
en 40ªC comienza a influenciar en los residuos de una manera negativa o no controlada,
además de que el incremento de temperatura en los residuos, influencia al contenido de tal
forma que acelera el proceso de descomposición y su vez los autores recomiendan que se dé la
recolección en esta temperatura, la ecuación propuesta para la decisión de recolección por
temperatura es:
𝑆𝑒𝑙𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎= 𝑚𝑎𝑥{𝐷𝑖𝑎𝑠𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑐𝑢𝑟𝑟𝑖𝑑𝑜𝑠
𝐷𝑖𝑎𝑠𝑃𝑟𝑒𝑑𝑒𝑓𝑖𝑛𝑖𝑑𝑜𝑠 ∗ (
∑ 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑒𝑠𝑀𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎𝑠𝑇𝑒𝑚𝑝 𝑁ª𝑑𝑒𝑀𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎𝑠𝑇𝑒𝑚𝑝 ) ;
(∑ 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑒𝑠𝑀𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎𝑠𝑇𝑒𝑚𝑝
𝑁ª𝑑𝑒𝑀𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎𝑠𝑇𝑒𝑚𝑝 )
Las relevancias porcentuales propuestas por los autores en cuanto a la temperatura se
asignan de la siguiente forma:
Contenedor de residuos orgánicos: Como se observa en la figura 8. La temperatura es
proporcional a la descomposición de los residuos orgánicos, y su límite máximo esta en los
40ºC. Además de que estos residuos son los más propensos a atraer insectos y otros animales,
por tanto la influencia de la temperatura en este contenedor es bastante relevante por eso se le
asigna un peso de 0.3 para su recolección.
Contenedor de residuos aprovechables: La mayoría de los residuos aprovechables no son
afectados por la temperatura esperada en ellos sin embargo como se mencionó a una gran
temperatura de (40 a 50) ºC, comienza a haber deformaciones en algunos materiales, ya que
estadísticamente es poco probable que se llegue a este punto en base a los datos de la sección
2.6, se le asignara un peso menor de 0.2 para su recolección.
Contenedor de residuos no aprovechables: Los residuos no aprovechables suelen ser
variados, aunque en su mayoría son residuos que no se descomponen existe la posibilidad de
que sean ingresados residuos no aprovechables que sean “orgánicos”, como puede ser el caso
de un alimento afectado con un químico, huesos residuos de desechos en papel entre otros, en
base a ello este contenedor se le asigna un peso de 0.25 para su recolección.
2.7. 4 Humedad
Para medir la afectación de la humedad en el contenedor lo ideal para este caso sería
que los recipientes solo tengan un tipo de material además de que se pudiese tener contacto
humedad dentro del recipiente, es necesario realizar medida de la humedad en el aire es decir
la humedad relativa, de ella podemos adquirir datos como:
Material en el contenedor, los materiales pueden guardar una humedad en
específico es posible por tanto es posible establecer el material o el tipo de
materiales que se encuentran en un contenedor de acuerdo al grado de humedad
que se encuentre en el contenedor de acuerdo a la tabla 8.
Peso por humedad en el material, gracias a la medición del peso y la humedad es
posible entablar el incremento el peso que genera la humedad dato que también
aporta para establecer el material que está en el contenedor
Tabla 8.
Humedad residuos sólidos urbanos
Componentes Humedad en %
Sin Mezclar Mezclados
Suciedad, cenizas, etc. 8
Uno de los principales propósitos de establecer este sistema es mejorar la salud del
ciudadano común, en este caso a diferencia de las otras variables sensadas la humedad es una
variables que si llega a afectar directamente a una persona pues la humedad en grandes
proporciones es generadora de moho, enfermedades y en pequeñas dosis provoca resequedad,
irritaciones en los ojos y la piel entre otras Como se observa en la Figura 9 se ve que la zona
optima en la que debería estar la humedad para que no se produzcan otras enfermedades esta
entre (40a 60)% RH.
Figura 9. Mejores humedad para la salud humana, E.M Stearling, A Arundel (1985)
Existen varios factores donde la humedad influye para la recolección y tratamiento de los
residuos los cuales no van a ser tenidos en cuenta sobre la influencia de las ecuaciones aquí
de estos procesos son la compresión de residuos, producción de lixiviados, transporte,
procesos de transformación, tratamientos de incineración y recuperación energética y procesos
de separación de residuos en planta de reciclaje. Otras de las características donde la
humedad influye directamente para fines de la gestión de residuos son:
Composición Química de los Residuos Sólidos
La composición Química de los residuos sirve para definir el proceso de tratamiento de
éstos. Es decir se utiliza para conocer los elementos que componen el residuo y poder realizar
el mejor proceso para su tratamiento (incineración, compostaje, desechar a relleno sanitario).
También nos sirve conocer la composición química para estimar la generación de biogás en
los rellenos sanitarios.
Contenido Energético de los Residuos Sólidos
Como se explicó previamente los residuos, al contener Carbono, Hidrógeno y Oxígeno
tienen un contenido energético que les permite en algunos casos reemplazar a algunos
combustibles. Por tanto su combustión o incineración genera energía
Punto roció
El punto de rocío o temperatura de rocío es la temperatura a la que empieza a condensarse
el vapor de agua contenido en el aire, produciendo rocío, neblina, cualquier tipo de nube o, en
Figura 10.Tabla para hallar el punto de roció, rescatada de
http://www.valentine.es/portalbv/portal/user/anon/page/svdpartproductosaspectosdet.psml?categoryOID=578380 80808180GC&contentid=&nl=es
Como se observa la humedad medida atribuye a varios de los factores que contribuyen a la
recolección de residuos pero en este documento tan solo se establecerá en la ecuación de
selección por humedad, la implicación que tiene esta sobre la salud y el composteo , de esta
forma se llega a la siguiente ecuación:
𝑆𝑒𝑙𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛𝐻𝑢𝑚𝑒𝑑𝑎𝑑 =
|𝑅𝐻 − 50|
50 ∗ 100
Las relevancias porcentuales en cuanto a la humedad se asignan de la siguiente forma:
Contenedor de residuos orgánicos: Como se observa en la imagen 8 la humedad
contribuye al aumento de la temperatura y a su vez repercute en el contenido de los residuos
orgánicos, además estos son los que más generan humedad por sí mismos, se le asignara un
peso de 0.3 a este factor.
Contenedor de residuos aprovechables: La mayoría de los residuos aprovechables no son
Contenedor de residuos no aprovechables: Los residuos no aprovechables suelen ser
variados, aunque en su mayoría son residuos que no se descomponen existe la posibilidad de
que sean ingresados residuos no aprovechables que sean “orgánicos”, como puede ser el caso
de un alimento afectado con un químico, huesos residuos de desechos en papel entre otros, en
base a ello este contenedor se le asigna un peso de 0.3 para su recolección.
2.7. 5. Peso, volumen y otros
A diferencia de las otras variables, medir el peso no representa directamente una
característica que implique recolección de residuos , debido a que pese más o menos un
contenedor, no afecta el procesos de salubridad, higiene entre otras, sin embargo gracias a esta
característica es posible establecer criterios del aumento de peso por los otros factores
también es posible advertir del peso actual en el contenedor con fines de advertir a quien sea
el ente más adecuado para recoger dicho contenedor (sugerencia). Para la diferente toma que
se harán sobre esta medida se definen las siguientes 3 variables:
Peso actual (𝑊𝑎𝑐𝑡): el peso que se es medido en el momento en que se ingrese un
residuo.
Peso pasado(𝑊𝑝): El peso que fue medido previamente en el contendor.
Peso por humedad (𝑊𝐻): El contenedor realizara una medida de las variables cada
cierta cantidad de tiempo la cual es inherente al ingreso de residuos si la toma
realizada en este tiempo es diferente a la última medición esto es debido al peso
atribuido por la humedad en los materiales.
𝑊ℎ=
𝑤𝐴𝐶𝑇− 𝑊𝑝
%𝐻𝑅 ∗ 100
Con ayuda del peso y las otras variables previamente mencionadas es posible encontrar
factores y datos estadísticos que ayuden a definir los recolectores y tiempos de recolección de
residuos (las cuales no son tenidas en cuenta para la definición de la expresión final de
recolección), entre esos están:
Volumen: Con ayuda del nivel y el peso es posible determinar el volumen del sistema
la cual resulta una variable más precisa si hablamos de cuanto se está llenando un
contenedor, además de poderes establecer datos estadísticos como volumen por
persona, volumen en zona entre otros.
El aumento de peso por humedad, el cual permite agregar un valor a la influencia de la
humedad en los residuos como se describe en dicha sección.
Densidad: Con las variables como el volumen y el peso se establece la densidad del
contenido en los contenedores la cual en determinados casos ayudaría a proveer
información sobre que desechos se están generando en determinadas regiones y así
poder establecer un recolector adecuado para dicho sector. Además de otros factores
como lo es el grado de presión según la densidad de los residuos.
(http://www.bvsde.paho.org/acrobat/desecho2.pdf).
Con fines estadísticos, para mejorar el transporte para la gestión de residuos el peso de
residuos producido en determinada zona contribuirá a una mejor planeación en la
recolección.
El peso también aporta para algunas de los ítems mencionados en la sección de
Hay otros factores que se podrán definir después de establecido el modelo tales como
los son el volumen de los recipientes, número de vehículos para las rutas, números de viajes
realizados entre semana o mes tales como se especifican en SEDESOL. (2009) pero tampoco
serán tenidas en cuenta para la expresión final de este documento.
2.7.6. Asignación de alerta según los parámetros
Una vez medido las características del contenedor a través de los sensores y tratados los
datos a través del microcontrolador, estos datos son transmitidas por protocolo MQTT, una
vez adquiridas en la central de información estos datos son tratados para catalogar el estado
del contenedor de basura para ello se utiliza la siguiente ecuación la cual define el estado de
alerta del sistema. Dando un valor porcentual entre (0 y 100) %, para catalogarlo en un estado
de la tabla 9
que su no recolección, no afecta el entorno o al contenedor mismo
15 a 50 El contenedor contiene residuos pero en base a
sus características aun soportan más tiempo o más ingreso de los residuos
50 a 70 El contenedor de residuos está en un estado en
el que su recolección es recomendable, sin embargo no está generando mucha influencia
70 a 80 El contenedor se encuentra en un estado en el que comienza a generar riesgos de salubridad además de que se recomienda su recolección
90 a 100 El contenedor está generando varios riesgos
insalubres, se recomienda su recolección inmediata
Se reitera que los valores tanto de asignación de alertas como las ecuaciones propuestas
fueron realizadas por procesos a consideración de los autores, teniendo en cuenta los ítems
mencionados en esta sección, por tanto es posible adecuar los valores para mejorar las
3. Metodología y proceso
3.1. Etapa de construcción y diseño del Hardware
Para la construcción del prototipo encargado de sensar los diferentes parámetros
establecidos y transmitir los datos al nodo central fue necesario seguir una metodología aplicada
con base a las necesidades que pudiese requerir otras etapas por ejemplo, uno de los principales
motores debía ser el bajo costo económico en el prototipo (ya que la producción en masa
conlleva más gastos), por tanto los elementos a seleccionar debían cumplir un bajo costo
económico, aunque esto implicara reducir la precisión y exactitud (sin que la perdida fuera
abrupta):
A) Búsqueda, selección y caracterización de los sensores a utilizar:
Para la búsqueda y selección de los sensores primero fue necesario evidenciar los
diferentes tipos de sensores de humedad, temperatura, nivel y peso. Con base al funcionamiento
de los diferentes tipos de sensores se seleccionaron los tipos que pudiesen servir para el
propósito, por ejemplo dentro de los diferentes tipos de sensores de temperatura se encontraron
los siguientes tipos de sensores:
Tabla 10
Tabla de Tipos, base de funcionamiento y selección de sensor de temperatura, Bausa (A,
2003).
Tipo de clasificación Base de Funcionamiento Útil para el fin
del proyecto
Termocuplas Se aplica temperatura en la unión de 2
alambres unidos en el otro extremo NO
Termistores Esencialmente un semiconductor que
se comporta como un "resistor térmico" Sí
Termo resistencias Son componentes que varían su
resistencia en base a la temperatura en ellos (metales, cerámica, etc)
Termómetros infrarrojos Determinan la temperatura de la superficie de un objeto interceptando y midiendo la radiación infrarroja emitida.
NO
Una de las razones por las cuales se descartaron esos 2 tipos de sensores fue debido a que
necesitan contacto con un único elemento, situación que no sirve para un contenedor el cual va
a tener múltiples objetos; Estos no son todos los tipos de sensores térmicos existentes sin
embargo el proceso se llevó a cabo teniendo en cuenta todos o la mayoría de los diferentes tipos
y propósitos de los sensores, de igual forma se realizó este proceso de selección con los sensores
de humedad, nivel y peso (Bausà, J., Carlos, A,2003).
Para la selección de los diferentes sensores indicados se establecieron como ítems
principales el costo, el tamaño, los rangos de funcionamiento y la precisión de los sensores, con
base a estas características (principalmente) se filtraron y escogieron algunos de los sensores
que podrían satisfacer el propósito del sensado, finalmente de cada lista se pudo observar el
mejor sensor para el propósito teniendo en cuenta los criterios de cada uno de las variables a
sensar. A continuación se presentan el proceso de selección, las variables tenidas en cuenta y la
caracterización de cada uno de los sensores utilizados.
a) Sensor de Humedad:
Para la selección del sensor de humedad se encontró que el mejor tipo de sensor para este
caso es el sensor de humedad capacitivo pues es un sensor frecuentemente usado para la
medición de la humedad relativa (humedad en el aire u otro gas), Humedad que va a ser medida
en el contenedor ya que no debe haber contacto con los materiales de parte del sensor (Kouro,
Figura 11.Sensor de humedad HS101.
Para el siguiente filtro de selección se realizaron consultas para corroborar la humedad
media o histórica en el área de Bogotá, además de realizar consultas investigativas de la
humedad en los diferentes tipos de residuos (los cuales están detallados en la sección del marco
teórico), de dichos estudios se concluyó que el rango de humedad para el proyecto era de (50
–100) % A continuación se presenta la lista de preselección del sensor.
Tabla 11.
Tabla comparativa de sensores de humedad.
El sensor de humedad seleccionado fue el “Hs1101” el cual es un sensor de tipo capacitivo
por tanto varia la capacitancia en base a la humedad relativa, además de las características de
selección este sensor está diseñado para manejar grandes volúmenes, dar un tiempo de
respuesta rápido (5 s) según el fabricante, desaturación instantánea después de largos periodos
en fase de saturación y un bajo costo de corriente entre otros( características que dan mayor
El siguiente paso fue la caracterización del sensor sin embargo para poder apreciar su
varianza de otra forma que no sea la capacitancia con respecto a la humedad fue necesario la
utilización de elementos que dependan de esta varianza capacitiva (filtros, osciladores, etc),
para así obtener una varianza voltaica, de tiempo o frecuencia; Uno de los dispositivos
recomendado para dicho propósito es el TLC555 que es temporizador de precisión con
tecnología CMOS, y puede configurarse como un dispositivo astable, biestable o monoestable,
para el propósito del proyecto el TLC555 se configuro como un dispositivo astable lo que
permitió que al variar la capacitancia del sensor el astable variara la frecuencia del sistema .
Figura 12. Configuración circuito Astable TLC555
El manual de este integrado sugiere la conexión de la figura 12 para un circuito astable
donde la carga y descarga del condensador produce los niveles altos y bajos en el circuito,
dichos niveles y tiempos están regidos por las siguientes ecuaciones:
𝑓 = 1 (𝑇⁄ 𝐻+ 𝑇𝐿) 𝐶𝑑𝑢𝑡𝑦= 𝑇𝐻∗ 𝑓
El sensor HS1101es un sensor que varía entre 163 pF (0% de humedad relativa) y 200 pF
(100%. De humedad relativa), por facilidad y agilidad en el circuito de este sensores opto por
utilizar un ciclo duty de 50% y una frecuencia de 10 KHz la cual es lo suficientemente rápida
para tomar lectura de la frecuencia actual y lo suficientemente lenta para que el micro
controlador pueda leerla.
0.5 = 𝑇𝐻∗ 10 ∗ 103
0.5
10 ∗ 103= 𝑇𝐻 = 50𝑢𝑠 𝑇𝐻= 𝐶𝑇(𝑅𝐴+ 𝑅𝐵) ∗ 𝑙𝑛(2) =50 us
Donde se escogieron los valores de las resistencias para que funcionara en el rango de
frecuencias deseado. Una vez propuesto el circuito que se ilustra en la figura 16 se procedió a
caracterizar la curva de respuesta del sensor, para que permitirá describir el
comportamiento en todos los puntos de su curva, y así poder determinar la linealidad o la
ecuación en su señal de respuesta y así el micro controlador interprete correctamente el valor
leído. Para la caracterización del sensor de humedad relativa se procedió a realizar el siguiente
Figura 13. Diagrama de flujo para la caracterización del sensor de humedad
Debido a la humedad mínima de la ciudad (65 % RH) y el lugar no fue posible una toma de
datos total, los datos obtenidos se muestran en la figura 52. Por esta razón se consideró que para
comparar y evaluar el buen funcionamiento se optó por implementar el sensor con la
configuración propuesta por el fabricante del sensor, cuya configuración nos informa de los
Figura 14. Configuración propuesta para el HS1101, propuesta por el fabricante.
Tabla 12.
Tabla de Frecuencia de salida a 6600kHz para 55%RH
RH / % FRECUENCIA / Hz
0 7351
10 7224
20 7100
30 6976
40 6853
50 6728
60 6600
70 6468
80 6330
90 6186
100 6033
Sin embargo debido a capacitancias parasitas y la inexactitud de los diferentes componentes
los resultados pueden generar mayor cantidad de errores tanto en el proceso de caracterización
como a futuro, por lo que se diseñó otro método de caracterización del sensor para que no
dependiera de tantos componentes, el método a escoger fue la descarga de un capacitor en un
circuito RC, el voltaje en un capacitor está dado por:
𝑐 = 𝐸 (𝑒(−𝑡𝑅𝐶))
Donde este crece de manera exponencial según el valor de tao Deseamos obtener la relación de
tiempo vs capacitancia de descarga, la cual es aproximadamente al valor de 5RC, además
sabemos que el rango capacitivo del sensor de humedad se encuentra entre 163 y 200 pf, con
R= 1 MΩ el tiempo estará definido por:
𝑡 = 5(𝑅𝐶);
𝑡 = 5(𝑅𝐶𝑚𝑖𝑛) = 5(1 ∗ 106∗ 163 ∗ 10−12) = 815µ𝑠; 𝑡 = 5(𝑅𝐶𝑚𝑎𝑥) = 5(1 ∗ 106∗ 200 ∗ 10−12) = 1𝑚𝑠;
Con estos tiempos establecidos se procedió a la implementación de descarga y medición del
controlador mediante software con estos datos se realizó la caracterización y junto con la
ecuación dada por el fabricante se podía apreciar el valor de humedad del sensor, donde se
Figura 15. Diagrama de flujo de la caracterización del sensor por RC
𝐶(𝑝𝑓) = 𝐶(𝑑𝑒𝑙55) ∗ (1,2510 ∗ 10−7𝑅𝐻3− 1,361 ∗ 10−5𝑅𝐻2+ 2.191 ∗ 10−3𝑅𝐻 + 9.01−1)
Se observó que la toma de datos realizadas fue escasa además de no ser muy precisa con
respecto a los datos del datasheet esto es debido a que la descarga del condensador es del
microcontrolador como la lectura del conversor analógico digital el cual tarda 120 us y la
comparación con un valor de ciclo while tarda 5 us, tiempos que en suma pueden superar al
valor de la descarga o dar una precisión muy inexacta de la medición (Atmel. (2015)).
Con ámbitos de disminuir el número de componentes se procedió al desarrollo de otro
circuito que permita la carga de un condensador mediante corriente a través de las siguientes
ecuaciones.
𝐼 =𝛿𝑞 𝛿𝑡 =𝑅𝑒
−𝑡 𝑅𝐶
Donde se pretende introducir una corriente constante que le dé un voltaje definido en base al
tiempo establecido y al valor de la capacitancia.
= 𝐼𝑅
𝑒−𝑡𝑅𝐶
Para las pruebas por carga de corriente se utilizaron diferentes diseños de fuentes de corriente a base de amplificadores operacionales uno de ellos ilustrado en las figuras 16, cuyas salidas debían estar conectadas con un transistor de switcheo para detener el flujo de corriente en el sistema.
De los datos obtenidos por carga de corriente se encontró que también fueron poco eficientes
debido a las propiedades mencionadas del micro controlador además de que las capacitancias
internas de los componentes como los transistores (80 pf Max, transistor 2n222 capacitancia
mayor a la variación total del microcontrolador), amplificadores operacionales.
Figura 17.Diseño del circuito para la oscilación del sensor de humedad.
Base a los resultados obtenidos se decidió realizar el proceso con el diseño propuesto por el
fabricante. Base a las características dadas por el fabricante del sensor donde hace mención de
±2%𝑅𝐻 y un coeficiente de temperatura de 0.04 pf con punto de equilibrio en 25°C el sensor
Como se puede evidenciar por el fabricante muestra que la función del sistema no es lineal
sin embargo de los puertos digitales se conoce que su funcionamiento en tiempos tiene como
base con un cristal de 16 Mhz externo lo que le da una velocidad al microcontrolador una
rapidez del orden de us, mientras que el oscilador propuesto es del orden de ms
permitiéndole una capacidad casi de mil veces por ms haciéndolo, lo suficientemente rápido
para leer con detalle el valor del periodo en los osciladores y bien sea aplicar la formula
directamente o dividir la función en partes para que sea una función lineal en tramos (Así
realizado por los autores) .
b) Sensor de temperatura
Para la selección del sensor de temperatura se encontró que los mejores sensores para
medir el aire del entorno son los sensores de tipo termistor y de tipo de silicio, además de ello
se verifico los rangos de temperatura históricos en la ciudad de Bogotá los cuales son
ilustrados en la sección teórica, se observó que el rango de temperatura que se necesitara está
en el proyecto está en el rango de 0 °C y 40 °C sin embargo se piensa en ampliar este rango
Tabla 13.
Tabla comparativa de los sensores de temperatura y humedad.
Tabla 14.
Tabla comparativa de los sensores de temperatura.
Nombre
es un sensor de temperatura con una precisión calibrada de 1ºC y un rango que abarca desde
Figura 18. Grafica de Corriente vs temperatura del LM35 y sensor LM35
Ya que el comportamiento de este sensor es lineal con respecto a la temperatura y su
fabricante asegura un cambio de 10 mV/°c, donde para el caso del proyecto la variación de
voltaje estará entre (0 y 600) mv y con una resolución del conversor analógico digital de
nuestro micro controlador de 10 bits en 5 V (4.88mV por paso) lo que equivale a tener una
aproximación de variación de medición de 0.5 °C sin el uso de un circuito de
acondicionamiento; Sin embargo es posible mejorar la resolución del conversor analógico
digital si cambiamos el Voltaje de referencia en el micro controlador, para el caso será de 1,1
v de voltaje de referencia.
Al cambiar el voltaje de referencia del converso analógico digital este nos ofrece una mejor
exactitud para la toma de datos del sensor siendo de aproximadamente cada 0.1 °Cpor tanto el
uso del sensor y el conversor A/D ofrecido por el microcontrolador sin uso de
acondicionamiento es suficiente pues los cambios de 0.1 °C no afectan mucho al propósito del
censado de la temperatura. Para evidenciar el funcionamiento del sensor se caracterizó el
sensor con una elevación gradual de temperatura y con la ayuda de un termómetro se
obtuvieron los resultados de la figura 49 y la tabla 15. Los autores mencionan que el
termómetro no está oficialmente aprobado como patrón de medidas por tanto la medición
puede no ser del todo cierta.
Tabla 15
Datos obtenidos por la caracterización del sensor de temperatura
Con fines de precisión se realizó un ajuste que consiste en una adición que se acerque al
valor real más cercano propuesto por el fabricante para ello se obtuvo mediante una recta
representativa de los datos este ajuste es dado por software del sensor dando como resultado el
cual está ilustrado en la figura 50.
El fabricante de este sensor menciona que el da una precisión asegurada de 0.5°C, y una no
desviación de no linealidad de ± 0.25 °C, con estos factores tomados en cuenta la desviación
curva del sensor podría estar como se muestra en la gráfica 41. Se observa que la desviación
se aproxima a 1 °C lo que cabe dentro del propósito del proyecto, pues un 1 °C no influye
drásticamente en el propósito del proyecto en base a la intervención de la temperatura en la
medición de los datos del contenedor.
c) Sensor de nivel
A lo largo de los años han surgido distintas tecnologías orientadas hacia la medición del
nivel de los recipientes de basura, entre las más destacados se encuentra la medición del nivel
por sensor infrarrojo y la medición del nivel mediante sensor de ultrasonido, sin embargo
debido a que en este proyecto se requiere definir el nivel de residuos independiente de cual sea
su contenido y debido a que el sensor infrarrojo se ve afectado por los colores que puedan
tener los residuos y también se ve afectado si hay un material que refracte o reflexione la luz
(como los vidrios), se optó por el sensor de ultrasonidos el cual que puede funcionar
independiente de sus residuos. Estos sensores trabajan solamente en el aire, y pueden detectar
objetos con diferentes formas, diferentes colores, superficies y de diferentes materiales. Los
materiales pueden ser sólidos, líquidos o polvorientos, sin embargo, han de ser deflectores de
distancia temporal entre el impulso de emisión y el impulso del eco (Instrumentación
Industrial, Antonio Creus).
TABLA 16.
Tabla comparativa de los sensores de temperatura
Como la mayoría de los residuos son sólidos o tendrán una consistencia resaltante, el sensor
ultrasónico resulta óptimo para medir el nivel, aunque se puedan presentar problemas como,
mucho polvo, alta humedad, humos, vibraciones, color de los residuos, materiales opacos o
transparentes, este sensor seguirá siendo el sensor más óptimo para la realización del proyecto.
El sensor seleccionado de ultrasonido seleccionado fue el HCSR04, cuyo funcionamiento se
basa en la emisión de un impulso ultrasónico a una superficie reflectante (en nuestro caso los
residuos sólidos) y el retorno del eco a un receptor, donde el retardo del eco cambia dependiendo
Figura 19. Sensor HCSR04 de ultrasonido
El elemento básico es un transductor electroacústica, de tipo cerámico piezoeléctrico. La
capa de resina protege al transductor contra la humedad, polvo y otros factores ambientales.
Absorbedores acústicos, se utilizan para amortiguar rápidamente la energía acústica, para
detectar objetos a pequeñas distancias, ya que el mismo transductor se utiliza como emisor y
como receptor. Hay que tener en cuenta que el sensor sólo puede hacer una medida de (30 a 60)
ms (pulso por eco).
