DISPOSITIVO PARA MONITOREAR EN TIEMPO REAL VÍA WEB
VARIABLES COMO TEMPERATURA
HUMEDAD Y CONCENTRACIÓN DE CO2 QUE PUEDAN AFECTAR LA
CALIDAD DE LA MERCANCÍA DURANTE SU TRANSPORTE
MONITORING DEVICE FOR REAL-TIME WEB ROUTE PARAMETERS
AS TEMPERATURE
DAMPNESS AND CO2 CONCENTRATION THAT MAY AFFECT THE
QUALITY OF MERCHANDISE DURING TRANSPORT
Puentes. Jonathan∗ Baquero. Brayan **Castañeda. Dora Lilia***
Resumen: Durante el transporte de mercancía se pueden llegar a presentar inconvenientes a la hora de movilizar elementos, que requieren de un cuidado especial debido a que su
contenido pueden ser sensible a daños, por esta razón se diseña un dispositivo para
monitorear en tiempo real variables que puedan afectar la calidad de la mercancía. Por esta
razón se utilizan sensores de humedad, temperatura, concentración de CO2 e intensidad
lumínica, además se implementa un computador de placa reducida (Raspberry pi) y un
microcontrolador (PIC18F4550) para realizar la adquisición de las señales, la interpretación
de datos y transmisión de información a través de internet, debido a sus especificaciones
técnicas, teniendo en cuenta que son dispositivos de bajo costo, con consumo energético
mínimo, además posee autonomía prolongada con baterías convencionales.
∗ Estudiante de Tecnología en Electrónica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Correo
electrónico e-mail: jpuentesr@correo.udistrital.edu.co
* Estudiante de Tecnología en Electrónica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Correo
electrónico e-mail: babaqueroc@correo.udistrital.edu.co
El software programado en el microcomputador se encarga de procesar los datos obtenidos
de los sensores, en esta etapa se transforman las señales eléctricas a unidades
correspondientes en el Sistema Internacional de Unidades, esta información es almacenada
en un servidor conectado a un gestor de base de datos (MySQL, Apache) y visualizada de
forma gráfica en una página web dinámica (php, HTML, JavaScript), con la opción de realizar
consultas e interactuar en tiempo real con la misma.
Palabras clave: Datalogger, transporte de mercancía, Redes de sensores, wireless y WEB,
monitoreo en tiempo real.
Abstract: During the transport of goods they can manage to present disadvantages at the
moment of mobilizing elements that they need of a special care due to the fact that his
content they can be sensitive to hurts, for this reason a device was designed to monitor real
time variables that could affect the quality of the goods. There were in use sensors of
dampness, temperature, concentration of CO2 and light intensity, in addition there was
implemented a computer of limited plate (Raspberry pi) and a microcontroller to realize the
acquisition of the signs, the interpretation of information and transmission of information
across Internet due to his technical specifications bearing in mind that are a devices of low
cost with an energetic consumption, offering to him autonomy prolonged with conventional
batteries.
This software programmed in the microcomputer takes charge processing the information
obtained of the sensors, in this stage the electrical signs transform to corresponding units in
the International System of Units, this information is stored in a servant connected to a
manager of database (MySQL, Apache) and visualized of graphical form in a dynamic web
page (php, HTML, JavaScript), with the option to realize consultations and to interact real
Key Words: Datalogger, transport of goods, Networks of sensors, wireless and WEB,
monitoring in real-time.
1 INTRODUCCIÓN
El almacenamiento y transporte de las materias primas o incluso de productos finales podría
conducir a pérdidas debido a diversos agentes como roedores, insectos, hongos e incluso
bacterias, algunos de los cuales contaminan los alimentos durante la recolección. A veces,
las pérdidas se agravan o incluso se originan por la acción de agentes físicos, como ocurre
cuando las condiciones de humedad, temperatura, luz, aireación, etc., no son las adecuadas
para el almacenamiento y transporte. En este proceso los alimentos sufren pérdidas en la
estructura de la materia prima, que implican una reducción del valor nutricional[1].
Teniendo en cuenta que alimentos como el pescado, la carne, la leche, el pan y/o los
vegetales cuentan con un periodo de conservación limitado desde el momento en el que son
recolectados, procesados y transportados, es necesario mantener un control sobre ellos con
el fin de conservarlos durante más tiempo.
Basándose en estas condiciones, el dispositivo se encarga de monitorear en un rango
específico las variables mencionadas anteriormente.
2 MARCO TEÓRICO
Para determinar que sensores son implementados, es necesario consultar que parámetros
físicos afectan de manera significativa la calidad de la mercancía. Como resultado de la
información obtenida, los principales causantes de la pérdida en la calidad de los alimentos
2.1 Temperatura
Cuando la temperatura no se controla de forma adecuada, el riesgo de que un alimento se
descomponga es mayor. Mantener un producto entre 5ºC y 65ºC (Zona de peligro) durante
más de dos horas es sinónimo de proliferación de patógenos. A estas temperaturas, las
bacterias pueden duplicar su número cada 20 o 30 minutos.
El efecto de la temperatura en los alimentos y en el desarrollo de bacterias patógenas varía
en función de los grados que se aplican (Figura 1): a más de 65 ºC, se destruyen; entre
5°C-10 ºC y 65 ºC, se evita la multiplicación; y de 8 ºC a -18 ºC los patógenos se mantienen en
estado latente, no se eliminan. El control de la temperatura de los alimentos, por tanto, es
muy importante para garantizar que estos sean seguros [2].
2.1.1 La mejor temperatura para conservar
No todos los alimentos requieren de las mismas condiciones de conservación. Los frescos,
como el pescado, carne, leche o verduras, deben transportarse a temperaturas de
refrigeración (4 °C y 7°C); cuanto más baja es la temperatura, más lejos quedan las
condiciones idóneas para que los microorganismos se multipliquen, puesto que se inhiben
las reacciones bioquímicas responsables de la descomposición de los alimentos.
Algunas bacterias con alto poder patógeno se desarrollan a un ritmo acelerado en
temperaturas comprendidas de 30°C a 40°C, es importante no exponer dichos alimentos por
tiempos prolongados a estas temperaturas pues el riesgo de intoxicación al consumirlos
aumenta considerablemente [2-3].
2.2 Intensidad luminosa
Casi todos los alimentos están expuestos a la luz a partir de fuentes naturales o artificiales.
Esta exposición puede dar lugar a cambios en el color del alimento, en el sabor o en pérdidas
de vitamina. En la mayoría de productos sólidos, la luz penetra en la capa exterior, por lo que
el deterioro se produce en esta parte. En los líquidos, en cambio, la penetración suele ser
mayor. La sensibilidad a la luz depende de factores como su intensidad, el tipo de luz, la
distancia entre la fuente de luz y el alimento, la duración de la exposición, entre otros[4].
2.2.1 Cambios químicos inducidos por la luz [5]
En el caso de los cambios inducidos por la luz (Fotodegradación), los factores más
sensibles, para dichos casos algunos de los cambios más notables que genera la exposición
constante a fuentes de luz natural y artificial son los siguientes:
1. Fotooxidación de algunas vitaminas, como el ácido ascórbico, que se
descompone rápidamente en presencia de luz.
2. Fotooxidación de los pigmentos óxido nítricos en el jamón cocido y en productos
similares, con presencia de cantidades mínimas de oxígeno, la luz induce la
oxidación de los pigmentos oxido-nítricos, produciendo una alteración en el color
de los productos.
3. Aceleración del enranciamiento oxidativo de los alimentos. Esta se produce tras
exposiciones prolongadas de luz artificial, como los tubos fluorescentes en los
supermercados y afecta productos como las patatas fritas o las galletas.
2.2 Humedad
La cantidad de agua en un alimento es importante a la hora de ser transportado ya que
influye en la apariencia, textura y sabor. En los productos frescos, el contenido de agua
puede llegar al 70% o más del peso total. Incluso los alimentos secos, como la harina o los
cereales, contienen cierta cantidad de agua [4].
2.3.1 Humedad relativa y actividad del agua
Al momento de evaluar los trastornos y las posibilidades de deterioro producidos por la
humedad, es necesario estudiar aspectos concretos como la actividad del agua y su relación
La actividad de agua (aw) está definida matemáticamente como (1), donde p’ es la presión
La relación entre el contenido de humedad de un alimento y su actividad de agua se puede
representar mediante un gráfico denominado isoterma de sorción de humedad, el cual
describe, para una temperatura dada, la relación de equilibrio entre la cantidad de agua del
alimento y la presión de vapor o humedad relativa; los procesos de isotermas están
clasificados en dos, isoterma de adsorción e isoterma de desorción [6].
Como su nombre lo indica los procesos de adsorción hacen referencia al comportamiento de
los alimentos deshidratados almacenados a una HR atmosferita alta, tienden a ganar agua
para equilibrar las presiones de vapor de agua tanto del alimento como de la atmósfera; por
otro lado cuando hablamos de desorción se evalúan comportamientos de los alimentos
hidratados con aw bajas y HR bajas, dichos alimentos sufren perdida de agua para
equilibrarse con las presiones de vapor de la atmósfera, en la Figura 2 se puede ver los
cambios que ocurren en los alimentos en función de la actividad del agua [6-7].
Los alimentos de humedad intermedia tienen una larga vida, por lo que son adecuados para
zonas y países en donde la refrigeración no existe. No hay una definición precisa pero se
consideran productos con aw de 0.65 a 0.86 y de 25 a 50% de agua. El valor de 0.86 se
patógenos, sin embargo no es suficiente para detener el proceso de crecimiento de hongos y
levaduras, por lo que en su elaboración son agregados otros compuestos químicos que
eliminan considerablemente la cantidad de agua por peso neto del producto, aumentando el
tiempo de conservación en atmosferas con índices elevados de humedad relativa [7].
Figura 2. Cambios que ocurren en los alimentos en función de la actividad del agua. a) Oxidación de lípidos; b) Reacciones hidrolíticas; c) Oscurecimiento no enzimático; d) Isoterma de adsorción; e) Actividad enzimática; f)
Crecimiento de hongos; g) Crecimiento de levaduras, y h) Crecimiento de bacterias.
2.4 Dióxido de carbono (CO2)
El dióxido de carbono es un compuesto de carbono y oxígeno en proporción en peso de
27,3% de carbono y 72,7% de oxígeno. A temperatura y presión normal está en forma
Es incoloro, inodoro y ligeramente ácido. No es inflamable ni tóxico. Es un 53% más pesado
que el aire. Normalmente es considerado como un gas inerte que es utilizado a nivel
hospitalario en criocirugía y congelamiento de tejidos y muestras. A temperatura y presión
bajas pasa a estado sólido (hielo seco) [8].
2.4.1 Transporte como principal fuente de emisión de CO2
La fuente más importante de emisiones de CO2 a nivel mundial proviene del transporte de
productos y pasajeros. Las emisiones causadas cuando la gente se desplaza (coche, avión,
tren, etc.) son ejemplos característicos de emisiones directas: la gente escoge a dónde va y
que medio utiliza.
Las emisiones causadas al transportar productos son ejemplos de emisiones indirectas: el
consumidor no tiene control directo sobre la distancia que existe entre la fábrica y la tienda.
Las distancias entre el productor y el consumidor siguen en aumento generando mayor
presión sobre la industria del transporte para agilizar las entregas. Es así como las emisiones
indirectas van en incremento. Lo peor es que el 99% de la energía utilizada para transportar
pasajeros y productos alrededor del mundo proviene de combustibles fósiles [9].
Como podemos ver en la Figura 3 casi todas las emisiones de CO2 (alrededor de 96.5%)
provienen de los combustibles fósiles. Los 3 tipos de combustibles fósiles más utilizados son
Figura 3. Principales Fuentes de emisión de CO2.
2.4.2 Impacto del CO2 sobre los alimentos
El efecto del dióxido de carbono sobre gran parte de los alimentos de consumo diario se ve
reflejado en la proporción en la cual esté se encuentra presente, si bien es cierto que puede
ayudar a prolongar el tiempo de conservación de los alimentos, también puede perjudicarlos;
en concentraciones superiores al 15% se observa la producción de malos sabores por la
acumulación de aldehídos provenientes del metabolismo anaeróbico de los productos.
2.4.2.1 Reducción del valor nutricional de los alimentos
Un estudio liderado por Samuel Myers, de la Escuela de Salud Pública de Harvard en Boston
(Estados Unidos), ha sacado conclusiones que apuntan a que gran variedad de minerales
como el Zinc y el Hierro se reducen considerablemente en ciertos granos y legumbres
cuando son expuestas a altas concentraciones de CO2 por cortos periodos de tiempo, los
investigadores sostienen que la reducción de estos minerales podrían incrementar la
incidencia de enfermedades asociadas a la carencia en la dieta de dichos nutrientes, que
2.4.2.2 Atmosferas controladas
Para lograr preservar alimentos frescos por un mayor tiempo, se ideo el concepto de
atmosferas controladas. Definiéndose este como la conservación de productos mediante el
uso de elementos como el CO2 el O2 y N2 [12].
Este tipo de soluciones es efectivo para alimentos con un alto grado de humedad y alto
contenido de grasas, en muchas ocasiones se usa el nitrógeno como gas complementario
para compensar la diferencia en la mezcla de gas, diversos estudios demuestran que el uso
de atmosferas controladas aumenta significativamente el tiempo de conservación, ya que los
alimentos en estas condiciones tienden a absorber el CO2 de la atmosfera.
La base fundamental de esta técnica es la reducción de la velocidad de respiración, sin
embargo, al remover oxigeno se generan condiciones no favorables para la reproducción de
la mayoría de microorganismos deteriorativos, lo cual prolonga la vida del producto siempre y
cuando se consideren o monitoreen las barreras de multiplicación de microorganismos
anaeróbicos patógenos [13].
La atmosfera controlada es uno de los procesos tecnológicos más avanzados, usualmente
es implementado en forma de cámaras de almacenamiento o en contenedores para su
transporte ya que de esta forma se incrementa la vida post- cosecha de los alimentos dos a
tres veces más que en condiciones de transporte con aire normal [12].
Las principales ventajas que ofrecen el uso de esta tecnología son: Disminución de la
actividad metabólica, Control de la oxidación, Control de la perdida de alguna vitaminas,
control de patógenos (bacterias, hongos) y Mantenimiento de la calidad y prolongación de la
2.5 Redes de comunicación inalámbricas
Desde el punto de vista de la informática, se entiende por comunicaciones inalámbricas
aquellas comunicaciones entre dispositivos (móviles o no) que intercambian información
utilizando el espectro electromagnético sin una conexión física por cable [15].
2.5.1 Clasificación
La clasificación de las redes inalámbricas se da atendiendo a diferentes criterios (Figura 4), a
continuación se presentara una clasificación abordando el alcance y la manera de controlar
el acceso a las redes.
• Redes de área personal inalámbrica (WPAN: wireless personal área networks.
• Redes de área local inalámbrica (WLAN: wireless local area networks).
• Redes de área extendida inalámbrica (WWAN: wireless wide área networks).
2.5.1.1 Redes inalámbricas de area local (WLAN)
Las redes inalámbricas de área local, WLAN por sus siglas en inglés Wireless Local Area
Network, son redes que comúnmente cubren distancias de los 10 a los 100 de metros [16].
Esta pequeña cobertura contiene una menor potencia de transmisión que a menudo permite
el uso de bandas de frecuencia sin licencia. Debido a que las LANs frecuentemente son
utilizadas para comunicaciones de alta capacidad de datos. Por ejemplo 802.11, una
tecnología WLAN, tiene un ámbito nominal de 100 metros e índices de transmisión de datos
de hasta 11Mbps. Los dispositivos que normalmente utilizan WLANs son los que tienen una
plataforma más robusta y abastecimiento de potencia como son las computadoras
personales.
2.5.1.1.1 Protocolo IEEE 802.11
El IEEE 802.11 es una familia de estándares para redes locales inalámbricas desarrollada
por el IEEE, que fue definida en 1997 (en el año 1999 se definieron los estándares 802.11a y
802.11b).
El estándar garantiza la interoperabilidad entre diferentes fabricantes. Es decir, por ejemplo,
que una tarjeta WLAN para PC de un fabricante funcione con un punto de acceso de otro
fabricante [17].
El protocolo 802.x cubre la dirección MAC y la capa física, la norma actualmente define un
2.5.1.2 Redes inalámbricas de area extensa (WWAN)
WWAN (Wireless Wide Area Network - Red inalámbrica de área extensa). Son las redes cuyo
ámbito cubre áreas más amplias como por ejemplo: una ciudad. Por su gran tamaño, estas
redes son explotadas por las empresas de telefonía móvil o ISPs (Internet Service
Providers). Hasta la llegada de la telefonía móvil de segunda (GSM) y tercera generación, el
UMTS, la alternativa es el uso del GPRS, aunque su velocidad es bastante reducida, sin
embargo en la aparición de redes móviles de cuarta generación (4G) la velocidad de
transmisión ha sido incrementada de manera considerable [19].
Las redes inalámbricas de area extensa también son conocidas como redes móviles, existe
una gran variedad de tecnologías utilizadas como el sistema global de comunicación para
móviles que implementado de forma analógica se conoce como NMT, en la Figura 6 se hace
una descripción general de las tecnologías empleadas en comunicaciones hasta la tercera
generación.
Este tipo de tecnología ha sido agrupada en varias categorías de acuerdo a su generación,
dentro de la segunda generación de redes móviles se encuentran las GSM (Group Special
Mobile), esta cuenta con cuatro versiones basadas en las bandas: GSM-850, GSM-900,
GSM-1800 y GSM-1900, siendo las dos últimas las más usadas alrededor del mundo [21-22].
Adicionalmente están las redes de segunda generación mejoradas, en dicha categoría
encontramos la estructura GPRS, la cual es una técnica de conmutación de paquetes, muy
similar a la estructura TCP/IP usando en el estándar de internet, su criterio es brindar una
comunicación IP sobre la de GSM, reduciendo los costos de inversión en infraestructura por
parte de los operadores ofreciendo una previa introducción a las redes de tercera generación
[23]. Mientras que el protocolo GPRS esta superpuesto sobre GMS y comparte el acceso a la
red (GMS-IP) [24].
Las redes UMTS representan la evolución de las redes 2G, ya que presentan velocidades de
transmisión más rápidas a un costo menor; estas redes hacen uso del espectro radioeléctrico
en las bandas identificadas por la UIT para servicios móviles de tercera generación
IMT-2000, esta red es ideal para monitoreo en tiempo real [25] .
La arquitectura general de UMTS, esta modelado en términos de dominios de alto nivel entre
entidades físicas y puntos de referencia entre dominios. La arquitectura UMTS está dividida
en dos dominios: el dominio del Equipo de Usuario y el dominio de la Infraestructura, estando
encuentra la UMTS R’99 que fue definida para facilitar el proceso de migración desde las
redes GMS/GPRS hacia UMTS [26].
2.6 Internet y aplicaciones WEB
En toda comunicación entre dos dispositivos ya sean móviles o computadoras existen varios
esquemas de funcionamiento. Una comunicación entre dispositivos no es más que un
intercambio de información, el cual, generalmente, suele ser bidireccional.
Estas formas de comunicación pueden seguir diferentes esquemas como son el jerárquico, el
maestro/esclavo o el cliente/servidor. Estos esquemas definen de forma genérica el modo en
el que se intercambia la información [27].
2.6.1 Internet
Internet y, en general, las redes de comunicación modernas, utilizan el modelo
cliente/servidor. El modelo cliente/servidor se basa en la asignación de roles a las entidades
participantes en la comunicación de manera que uno pide información (cliente) y el otro la
sirve (servidor), para que dicho intercambio de información sea posible debe existir un
conjunto de protocolos de comunicación que lo permitan como es el caso del TCP/IP.
2.6.1.1 La arquitectura TCP/IP [27]
TCP/IP es el nombre que agrupa al conjunto de protocolos utilizados por todas las
computadoras conectadas a internet, de manera que estas puedan comunicarse entre si,
TCP/IP como se mencionó anteriormente, no es un único protocolo, sino que es en realidad
lo que se conoce como, un conjunto de protocolos que cubren los distintos niveles del
2.6.2 Aplicaciones WEB
Las aplicaciones WEB permiten la interacción del usuario con la información que circula por
los diversos servidores en internet. Todas estas aplicaciones se rigen por la arquitectura
cliente/servidor que al ser complementado con los diferentes lenguajes de programación
(HTML, PHP, MySQL, etc.), proporcionan una experiencia de navegación envolvente, con la
capacidad de arrojar todo tipo de resultados ya sean imágenes, videos, libros o mapas [29].
2.6.2.1 Lenguaje de programación HTML
HTML es el acrónimo de HyperText Markup Languaje. Es un lenguaje de programación que
implementa el sistema de etiquetas (también conocido como lenguaje descriptivo) para
definir cómo va a ser estructurada la página, permitiendo además manejar el funcionamiento
de la misma en la WEB; gracias a este lenguaje es posible darle forma al contenido en la
página como fotos, videos, textos, animaciones e hipervínculos [30].
2.6.2.2 Lenguaje de programación PHP
PHP es un lenguaje de script del lado del servidor, es decir que este se encarga del
procesamiento de una petición de un usuario mediante la interpretación de un script, estos
scripts están incrustados en los documentos HTML y el servidor WEB los interpreta y ejecuta
antes de servir las páginas al usuario [31].
Los códigos realizados en este lenguaje son interpretados por un servidor WEB con un
Figura 7. Funcionamiento del lenguaje de programación PHP.
2.6.2.3 Gestor de bases de datos MySQL
MySQL es un sistema de gestión de base de datos relacional que permite la construcción de
manera sencilla y eficaz de sitios WEB dinámicos. MySQL es muy utilizado en aplicaciones
web, como Joomla, Wordpress y plataformas (Linux/Windows-Apache/Python), debido a que
es una base de datos muy rápida en la lectura. Esta permite realizar múltiples consultas en
aplicaciones web donde hay baja concurrencia en la modificación de datos [31].
2.7 Tecnología implementada
Teniendo en cuenta las características del dispositivo construido, es necesario identificar el
hardware pertinente para suplir las necesidades de procesamiento, consumo energético y
2.7.1 Sensores y transductores
Usualmente se suele utilizar de forma intercambiable el termino transductor con el de sensor;
El transductor es el dispositivo que transforma una magnitud física (mecánica, térmica,
magnética, eléctrica, óptica, etc.) en otra magnitud, normalmente señales eléctricas, mientras
que el sensor es el transductor que se utiliza para medir una variable física de interés [32].
Los transductores y los sensores pueden clasificarse en dos tipos, dependiendo de la señal
convertida:
• Transductores analógicos: estos proporcionan una señal analógica continua, por
ejemplo voltaje o corriente eléctrica.
• Transductores digitales: los transductores digitales entregan una señal digital en forma
de bits de estado, ya sea alto (1) o bajo (0).
2.7.1.1 Terminologías de funcionamiento [33]
A la hora de trabajar con sensores y transductores es necesario conocer un poco de su
terminología como exactitud, resolución, precisión, rango, velocidad de respuesta,
sensibilidad, fidelidad, calibración, alcance, error e histéresis.
2.7.1.2 Sensor digital de intensidad luminosa BH1750FVI
El módulo BH1750 (Figura 8) es un sensor de luz digital que entrega valores de medición en
Lux ( mlm2 ), el cual determina el nivel de iluminación (iluminancia). Este sensor tiene un rango
Figura 8. Sensor de luz BH1750.
En la Tabla 1, se especifican las condiciones técnicas básicas de operación del sensor, si se
desea conocer a fondo el funcionamiento del sensor se recomienda consultar la hoja técnica
del dispositivo (Datasheet) [34].
Parámetro Símbolo Limites Unidades
Voltaje de alimentación Vmax 4.5 V
Temperatura de operación Topr -40-85 °C
SDA corriente de ruptura Imax 7 mA
Energía disipada Pd 260 mW
Voltaje Vcc Vcc Min:2.4 Typ:3.0 Max:3.6 V
Voltaje de referencia I2C VDVI Min:1.65 Max:Vcc V
Tabla 1. Condiciones de operación y valores máximos de funcionamiento.
2.7.1.3 Sensor de temperatura y humedad relativa DHT22/AM2302
El módulo de DHT22 (Figura 9) puede medir temperatura y humedad relativa con alta
Figura 9. Sensor de luz DHT22/AM2302.
Este sensor se escoge por su tamaño compacto, bajo consumo de energía, transmisión de
datos hasta 20 metros de distancia sin pérdida en la calidad de la señal, además de que
ofrece alta fiabilidad y rendimiento (los sensores son pre-calibrados en el laboratorio),
algunas de sus especificaciones técnicas se muestran en la Tabla 2 (para más información
consultar hoja técnica) [35].
Parámetro Valor Unidades
Voltaje de alimentación 3.3 - 6 V
Rango de operación Temperatura -40~80 °C
Rango de operación Humedad Relativa 0-100 %RH
Resolución temperatura 0.1 °C
Resolución humedad relativa 0.1 %RH
Tiempo de detección 2 s
2.7.1.4 Sensor de gas MQ-135
El sensor MQ-135 (Figura 10) es comúnmente usado para monitorear la calidad del aire, es
adecuado para detectar niveles de NH3, NOx, alcohol, benceno, humo y CO2 además posee
una alta sensibilidad y un buen tiempo de respuesta; para determinar una concentración en
ppm especifica es necesario consultar la hoja técnica [36].
Figura 10. Sensor de calidad de aire MQ-135.
2.8 Raspberry Pi 3 modelo B
La Raspberry pi es un computador de placa reducida de bajo costo que se puede conectar a
un monitor o un televisor, esta tarjeta permite periféricos como mouse y teclado, existen
diferentes versiones de esta (Raspberry 1, 2, 3 A, B y B+) sin embargo se usó el modelo 3 B
(Figura 11) debido a que posee mejores especificaciones técnicas. La Raspberry pi 3 modelo
B cuenta con un procesador de cuatro núcleos ARMv8 (1.2 GHz), una memoria RAM de
1GB, cuatro puertos USB 2.0, un puerto ETHERNET, una salida de video Full HDMI, 40
pines (donde 27 son GPIO), un módulo Wireless LAN ,ranura para cámara, Display de
Figura 11. Computador de placa reducida Raspberry pi 2 modelo B.
2.9 Micro controlador PIC18f4550
El PIC18F4550 es un microcontrolador de Microchip Technology fabricado en tecnología
CMOS, con memoria de programa tipo FLASH, lo que representa gran facilidad en el
desarrollo de prototipos, su consumo de potencia es muy bajo y además es completamente
estático, esto quiere decir que el reloj puede detenerse y los datos de la memoria no se
pierden, en la Figura 12 se establece una descripción de los pines del microcontrolador [38].
2.10 Reloj de tiempo real (RTC) DS1307
El reloj de tiempo real DS1307 (Figura 13), es un dispositivo de bajo consumo de energía,
completo con código binario decimal (BCD), reloj/calendario más 56 bytes de NV SRAM
(para mayor información se recomienda consultar la hoja técnica). Este provee información
de, segundos minutos, horas, día, fecha, mes y año [39].
Figura 13. Reloj de tiempo real (RTC) DS1307.
3
DISEÑO DEL DISPOSITIVO PARA MONITOREAR SENSORES EN TIEMPO REAL VÍAWEB
En la Figura 14 se muestra el diagrama de bloques empleado para la construcción del
prototipo de monitoreo de variables.
3.1 Diseño de sistema para medición de temperatura y humedad relativa
El sensor DHT22 que permite medir temperatura y humedad relativa requiere de un sistema
de acople sencillo, ya que para establecer la comunicación con el microcomputador hay que
conectar la alimentación a 3.3V y el pin de salida de datos del sensor a cualquier puerto de
entrada del microcomputador (Figura 15).
Figura 15. Circuito de acople del sensor DHT22 con el microcomputador (Raspberry pi 2).
3.2 Diseño de sistema para medición de concentración luminosa
Para acoplar el sensor de intensidad luminosa BH1750, se conecta de manera directa al
microcomputador, los pines implementados son: alimentación a 3.3V, tierra (GND), SDA y
SCL (Figura 16). SDA y SCL debido a que el sensor se comunica por medio del protocolo
I2C.
3.3 Lectura de fecha y hora
En esta etapa se implementa el RTC DS1307, de este dispositivo se utilizaron cuatro pines,
alimentación a 5V, tierra (GND), SDA y SCL (Figura 17) puesto que también trabaja con el
protocolo I2C. Por otro lado, la dirección del dispositivo que trae por defecto es 0x68,
permitiendo trabajar simultáneamente al RTC con el sensor de concentración luminosa.
Figura 17. Montaje del reloj de tiempo real DS1307 con el microcomputador (Raspberry pi 2).
3.4 Diseño de sistema para medición de concentración CO2
Para el acople del sensor de calidad de aire MQ-135 se implementa un microcontrolador
18F4550 para adquirir los datos por medio del conversor análogo digital, una vez que el
microcontrolador recibe los datos, los procesa y los transmite por el puerto de comunicación
serial (Figura 18) mientras que la Raspberry pi los recibe y los envía al servidor WEB.
El sensor debe ser ajustado para medir las concentraciones de dióxido de carbono, el
fabricante en su hoja técnica proporciona una gráfica de la sensibilidad del sensor con
respecto a distintos gases, para poder hallar la concentración de un gas específico se debe
escoger la gráfica lineal de sensibilidad de ese gas y hacerle una regresión de potencia.
Un gas específico depende de la relación de resistencias Ro y Rs, siendo Rs la resistencia
del sensor a diferentes concentraciones de gases y Ro la resistencia del sensor a 100 ppm
de amoniaco. Como ya se comentó anteriormente, es necesario hallar los valores de
exponente “b” y factor de escala “a” de una función de potencia (2) que varían según la
concentración del gas que se quiere hallar [36].
y
=
a
∗
x
b (2)Siendo x la relación de resistencias (3).
x = Rs (3)
Ro
Por medio del conversor ADC del PIC18F4550 se halla el valor de la resistencia Rs (4), una
vez tengamos Rs con esta se calcula Ro (5), de esta forma es posible determinar la relación
Ro = Rs ∗
b
a (5)
ppm
De (5), se sabe que ppm es la concentración actual normal de dióxido de carbono en aire
limpio (402.02 ppm), N es el número de bits de resolución del conversor, “adc” el valor de
lectura del conversor y RL la resistencia de carga del sensor. Finalmente el valor de la
concentración de CO2 está dado por (6).
Rs
b (6)ppm = a ∗
Ro
Para el desarrollo de esta etapa se realizaron pruebas en un software de simulación llamado
Proteus [40], en el cual se determinaba el comportamiento del sensor de acuerdo a los
parámetros a y b obtenidos, posteriormente el valor de ppm es visualizado en una LCD 16x2
y transmitido por el puerto serial a la Raspberry pi 2.
3.5 Diseño de interfaz de monitoreo en internet
El diseño de la página está fundamentado en el uso de un servidor conectado a una base de
datos, haciendo uso de lenguajes como PHP y HTML se obtiene la plataforma final.
3.5.1 Servidor
Debido a la gran variedad de aplicaciones y usos que ofrece la placa Raspberry Pi, se montó
un servidor con soporte para PHP y MySQL por medio de Apache HTTP SERVER, con el fin
de obtener una página WEB con contenido dinámico. Para crear un servidor en la Raspberry
Pi, inicialmente se actualizan los repositorios, seguido de esto es necesario asignarle una IP
estática al servidor WEB para que siempre podamos tenerlo localizado; cuando la placa es
servidor a través de la IP asignada anteriormente, posteriormente es necesario instalar
algunas librerías que den soporte a contenido dinámico como PHP entre otras.
3.5.2 Base de datos
Como se mencionó en párrafos anteriores, la base de datos fue implementada en
phpMyAdmin, la estructura de la misma está diseñada de forma relacional, puesto que los
datos están organizados en tablas, en la Figura 19 se puede ver la estructura en forma de
bloques de la base de datos.
Figura 19. Base de datos relacional diseñada en el gestor de bases de datos phpMyAdmin.
La gestión de tablas de esta base de datos se realiza directamente en la página web, en la
sección de opciones, donde se tiene la posibilidad de dar inicio y fin a los monitoreos que se
requieran realizar. Más adelante se describe de forma detallada cada uno de los aspectos
que conforman la base de datos.
• Login: en esta tabla se encuentra almacenado un usuario y su respectiva contraseña
(Figura 20). Estos datos son solicitados para poder ingresar a la página WEB
mediante un formulario, los respectivos datos ingresados son validados mediante un
script php lo que permite tener un control directo de la página WEB e impide que se
tenga acceso a la misma de usuarios no autorizados.
Figura 20. Estructura de la tabla de “login” de la página WEB.
• Monitoreo: en esta tabla se almacenan los nombres de los respectivos monitoreos
(Figura 21) gestionados por el usuario en el menú de opciones y verifica el estado
actual del sistema ya sea que este activo o inactivo.
Figura 21. Estructura de la tabla de “monitoreo” de la base de datos.
Bases de datos sensores: esta base de datos es la encargada de almacenar los datos
adquiridos por los sensores (temperatura, humedad, gas, etc.), en la Figura 22 se observan
Figura 22. Estructura de la tabla de “sensores” de la base de datos.
3.5.3 Página WEB
La página WEB está desarrollada en un entorno PHP y HTML, adicionalmente se usaron
scripts de Java, CSS y algunas librerías graficas que ofrece Google como Google Charts.
Inicialmente cuando se ingresa a la página WEB se solicita el nombre de usuario y la
contraseña (Figura 23), la página posteriormente valida la información, si esta es correcta
muestra la página de inicio, si la información es incorrecta la página procede a desplegar un
mensaje de alerta.
Si el usuario intenta ingresar a cualquier ventana desde el URL directo, no podrá acceder,
Figura 23.Ventana de validación de usuario de la página WEB.
En la ventana de inicio (Figura 24), en la parte superior se muestra una barra con cuatro
opciones, Inicio, Monitoreo, Opciones y Salir; la opción de inicio redirige la página a la
ventana principal, donde se muestra la información principal del proyecto.
La opción de Monitoreo permite desplegar un menú donde encontramos 3 monitoreos
diferentes, cada uno con sus respectivas variables medidas (Figura 25), en el proyecto se
trabajó con uno, quedando así disponibles los otros para ampliaciones futuras.
Figura 25. Menú desplegable de la opción Monitoreo con sus respectivas variables medidas.
Otra de las ventajas que ofrece el proyecto es que en la pestaña Opciones (Figura 26),
podemos acceder al historial de monitoreos realizados así como también la oportunidad de
realizar nuevos monitoreos.
3.5.4 Kit Internet de las Cosa de Weaved Inc.
Este tipo de tecnología es ideal para trabajos con dispositivos de acceso remoto (Figura 27),
puesto que soluciona el problema del reenvió de puertos y la configuración de la red, además
es capaz de trabajar con dispositivos que “hablen” TCP/IP; otra gran ventaja es su
funcionalidad con todos los protocolos y servicios populares (SSH, VNC, RDP Y Rsync);
gracias a esta herramienta se pudo conectar el servidor local de la Raspberry Pi a un
dominio público, de esta forma es posible acceder desde cualquier dispositivo que cuente
con acceso a internet [41].
Figura 27. Algunas ventajas de la herramienta Weaved.
4 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO DEL DISPOSITIVO Y LA PÁGINA WEB
Durante un periodo de tiempo de aproximadamente 2 horas, se hicieron diversas pruebas
con el prototipo, se realizaron ajustes para las mediciones y las diferentes graficas
visualizadas en la página WEB, temperatura (Figura 28), humedad relativa (Figura 29),
Figura 28. Grafica de temperatura (°C) en un intervalo de 2 horas.
Figura 30. Grafica de concentración de CO2 (ppm) en un intervalo de 2 horas.
5 RECOMENDACIONES Y TRABAJO FUTURO
• Es necesario revisar con anticipación las hojas técnicas de los dispositivos, para
comprender su funcionamiento, ya que manipularlos de manera incorrecta puede
provocar daños irreversibles.
• Debido a que el prototipo de monitoreo necesita de una conexión a internet móvil, es
necesario tener un celular destinado a suplir dicha necesidad.
• Durante el desarrollo del proyecto se implementaron elementos electrónicos, por esta
razón es recomendable usar una caja que actué como impermeable para proteger
dichos elementos.
• Para trabajos futuros podrían implementarse más sensores del mismo tipo con el fin
de incrementar el area de cobertura de los datos.
• Debido al diseño de la página es posible implementar a futuro más dispositivos que
monitoreen simultáneamente los datos, ya que se pueden desplegar varias ventanas
de visualización.
• Para evitar la pérdida de información que se pueda presentar por fallas en la conexión
a internet, sujetas a diferentes aspectos como el tiempo de espera en el reporte, se
espera implementar un sistema de almacenamiento local.
• Para trabajos futuros se recomienda diseñar la página WEB de forma adaptable
mediante el uso de hojas de estilo CSS, ya que estas permiten una correcta
6 CONCLUSIONES
• El proceso de calibración del sensor de calidad de aire, es bastante cuidadoso puesto
que la variación de la resistencia de salida del MQ-135, es muy sensible a cambios de
voltaje, temperatura y humedad, por tanto se debe tener como referencia varios
sensores así como valores de partida como la concentración de CO2 actual en aire
normal.
• Después de tener un prototipo funcional se concluye que es posible construir un
sistema de medición y monitoreo remoto en tiempo real, con tecnología económica de
uso doméstico que permita la lectura de humedad, temperatura, concentración de
CO2 e intensidad lumínica.
• Implementar sensores de la familia MQ para medir concentraciones de gases, no es
muy recomendado para aplicaciones industriales donde se requiera una fidelidad casi
del 100% de los datos medidos, ya que al ser sensibles a una gran variedad de gases
resulta una tarea tediosa calibrarlo para un gas especifico.
• Una selección adecuada de la tecnología implementada, puede reducir
significativamente los costos de desarrollo del proyecto, así como su buen desempeño
durante la medición y transmisión de datos.
• El uso de herramientas de desarrollo para contenido dinámico destinado a páginas
WEB, como las librerías de graficacion de Google, facilitan la construcción de la
interfaz de monitoreo y manejo interactivo de la información.
• Usar otros sensores relacionados con los implementados en el desarrollo del proyecto,
• La inclusión de un reloj de tiempo real, es fundamental para determinar de manera
precisa el intervalo de tiempo al que corresponden los reportes, puesto que
inicialmente se estaba trabajando con la hora de la Raspberry Pi, la cual por razones
desconocidas siempre estaba atrasada con respecto a la zona horaria.
• Para que la página WEB trabaje de una manera óptima es necesario disponer de una
buena conexión a internet, ya que las librerías y scripts de graficacion consumen una
cantidad significativa de recursos de internet.
• Apoyarse en dispositivos de visualización como la LCD, aportan información adicional
al usuario, esto le permite realizar una búsqueda más sencilla y tener una idea del
comportamiento de la concentración de CO2.
• Se determinó que en dispositivos electrónicos con una resolución de pantalla grande,
se visualiza mejor la interfaz, puesto que esta permite una interacción más cómoda
con la misma.
• El area de cobertura de los datos aumenta proporcionalmente al número de sensores
implementados, esto depende del tamaño del compartimiento del cual se quiera hacer
un monitoreo.
• Establecer un tiempo de reporte de datos prudente garantiza que la página WEB no se
sature por el exceso de datos, para el proyecto se determinó que la frecuencia de
actualización de datos será de un minuto aproximadamente, puesto que las variables
REFERENCIAS
[1] L. E. Mayer, S. M. Bertoluzzo, and M. G. Bertoluzzo, “DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN LIOFILIZADOR,” vol. 9, no. 17, pp. 147–157, 2006.
[2] P. A. L. Dia, “El Control de Patogenos en los Alimentos,” EROSKI CONSUMER, 2006. [Online]. Available: http://www.consumer.es/seguridad-alimentaria/sociedad-y-consumo/2014/09/04/220536.php. [Accessed: 18-Sep-2016].
[3] DCA NEWS, “ALIMENTOS y CONTROL DE TEMPERATURA. Evolución. Franja Térmica de Peligro,” DCA NEWS, 2015. [Online]. Available:
http://www.diariodeciencias.com.ar/alimentos-y-control-de-temperatura-evolucion-franja-termica-de-peligro/. [Accessed: 18-Sep-2016].
[4] M. CHAVARRIAS, “¿Por qué se deterioran los alimentos?,” EROSKI CONSUMER, 2012. [Online]. Available: http://www.consumer.es/seguridad-alimentaria/sociedad-y-consumo/2012/10/24/213789.php. [Accessed: 18-Sep-2016].
[5] J. M. Rodriguez Gomez, “Consecuencias higiénicas de la alteración de los alimentos,”
Dep. Nutr. Bromatol. y Tecnol. los Aliment. Fac. Vet. Univ. Complut. Madrid. 1., pp. 19–66, 2010.
[6] J. Barreiro and A. Sandoval, “OPERADCIONES DE CONSERVACION DE ALIMENTOS POR BAJAS TEMPERATURAS,” EQUINOCCIO., C. Pacheco, Ed. Valle de Sartenejas, Baruta, estado Miranda, 2006, pp. 53–54.
[7] S. Badui Dergal, “Qumica de los alimentos,” in Química de los alimentos, PEARSON ED., E. Quintanar, Ed. México, 2006, pp. 507–545.
[8] NITROX, “DIOXIDO DE CARBONO,” Valencia Estado Carabobo, 2007.
[9] Tuimpacto.org, “¿Cuáles son las fuentes principales de emisión de dióxido de carbono?,” 2014. [Online]. Available: http://www.tuimpacto.org/origen-del-co2.php. [Accessed: 19-Sep-2016].
[10] EPA, “Inventory of U . S . Greenhouse Gas Emissions and Sinks : 1990 – 1998,” Ipcc, no. March, p. 252, 2000.
[11] EL MUNDO.COM, “El CO2 reduce valor nutricional de los alimentos,” EL MUNDO.COM,
2014. [Online]. Available:
http://www.elmundo.com/portal/vida/ciencia/el_co2_reduce_valor_nutricional_de_los_alime ntos.php#.V-Ce3zX55rI. [Accessed: 19-Sep-2016].
[12] T. Carrillo and V. Rodriguez, “Atmosferas Controladas- Principios Desarro Y Aplicaciones,” México, 2007.
[13] V. Kyzlink, “Principles of food preservation,” in Principles of food preservation, V. Kyzlink, Ed. New York: Elsevier Science, 1990, p. 457,469-472.
[14] A. Thompson, “Almacenamiento en atmósferas controladas de frutas y hortalizas,” in
Almacenamiento en atmósferas controladas de frutas y hortalizas, ACRIBIA ED., E.Acribia, Ed. España: Acribia, 2003, p. 288.
[15] J. P. Blázquez, “Introducción a los sistemas de comunicación inalámbricos,” Introd. a los Sist. Comun. Ina., pp. 5–29, 2015.
[16] “REDES INALÁMBRICAS DE AREA LOCAL(WLAN),” in Redes Inalámbricas de Área Local Redes Inalámbricas Interiores Modelo de Cobertura para Redes Inalámbricas de Interiores, 2015, pp. 63–98.
[17] G. Rodriguez, “Normatividad IEEE 802.11 Para redes inalámbricas,” GESTION DE REDES, 2012. [Online]. Available:
http://gestionderedes298201.blogspot.com.co/2012/05/normatividad-para-redes-inalambricas.html. [Accessed: 21-Sep-2016].
[18] P. Brenner, “A Technical Tutorial on the IEEE 802.11 Standard,” BreezeCOM, p. 24, 1997. [19] P. Jara and P. Nazar, “Estándar IEEE 802.11 X de las WLAN,” edUTecNe, p. 12, 2006. [20] Z. Becvar, P. Mach, I. Pravda, and A. Z. Becvar, “Redes móviles,” in Redes móviles,
[21] J. Gorricho and M. Gorricho, “Comunicaciones móviles,” in Comunicaciones móviles, Edicions U., Barcelona: Universitat Politecnica de Catalunya, 2004, p. 248.
[22] A. Pachon de la Cruz, “Evolución de los sistemas móviles celulares GSM,” Universidad Icesi-I2T, 2004.
[23] F. Nicola, “REDES CELULARES,” UNIVERSIDAD NACIONAL DE ROSARIO, 2015. [24] J. Sánchez, “Análisis y Estudio de Redes GPRS,” Universidad Austral de Chile, 2005. [25] T. H. E. U. Forum, “A WHITE PAPER FROM Towards mobile broadband and personal
Internet,” 2005.
[26] J. Aguirre, “FUNCIONAMIENTO DE LA RED DE ACCESO UMTS PARA MÉXICO ”,”
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA, 2009.
[27] J. Sanchez and J. Lopez, “REDES. INICIACIÓN Y REFERENCIA,” in REDES, 1st ed., C. Sánchez, Ed. España: McGraw-Hill, 2000, pp. 105–106.
[28] B. A. Forouzan, “TCP/IP Protocol Suite (Fourth Edition),” in TCP/IP Protocol Suite (Fourth Edition), 4th editio., Tata McGraw-Hill Education Pvt. Ltd., 2010, pp. 433–440.
[29] A. Cobo, P. Gomez, and Perez, “PHP y MySQL Tecnologías para el desarrollo de aplicaciones WEB,” in PHP y MySQL Tecnologías para el desarrollo de aplicaciones web, Díaz de Sa., Díaz de Santos, Ed. España, 2005, pp. 4–14.
[30] K. E. Kendall and J. E. Kendall, ANÁLISIS Y DISEÑO DE SISTEMAS, OCTAVA EDI.
[33] R. Pallás, “Introducción a los sistemas de medida,” in Sensores y Acondicionadores de senal, 4 edición., MARCOMBO, Ed. Barcelona, 2008, p. 479.
[34] R. SEMICONDUCTOR, “Digital 16bit Serial Output Type Ambient Light Sensor IC,” 2009. [Online]. Available: https://e-radionica.com/productdata/BH1750FVI.pdf. [Accessed: 25-Sep-2016].
[35] T. Liu and B. Manager, “Digital-output relative humidity & temperature sensor/module.” [Online]. Available: https://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Temperature/DHT22.pdf. [Accessed: 25-Sep-2016].
[36] R. Tem, “MQ-135 GAS SENSOR.” [Online]. Available:
https://www.olimex.com/Products/Components/Sensors/SNS-MQ135/resources/SNS-MQ135.pdf. [Accessed: 26-Sep-2016].
[37] Lady Ada, “Introducing the Raspberry Pi 2 - Model B,” 2015. [Online]. Available: https://cdn-learn.adafruit.com/downloads/pdf/introducing-the-raspberry-pi-2-model-b.pdf. [Accessed:
[40] L. E. Ltd, “Proteus Design Suite.” 1988.
