ESPE
ENERGÍA MECÁNICA INNOVACIÓN Y FUTURO
No. 8 Vol. 1 / 2019 (12) ISSN 1390 - 7395 (3/12)
Artículo Cientíco / Scientic Paper
Revista Energía Mecánica Innovación y Futuro, VIII Edición 2019, No. 3 (12)
MORILLO, SILVA /
PROTOTIPO DE MEDICIÓN Y CONTROL DE CALIDAD DEL AIRE GENERADOS POR EFECTOS DE LA CONTAMINACIÓN
MEDIANTE LA UTILIZACIÓN DE UN ARDUINO,
PROTOTIPO DE MEDICIÓN Y CONTROL DE CALIDAD DEL AIRE GENERADOS
POR EFECTOS DE LA CONTAMINACIÓN MEDIANTE LA UTILIZACIÓN DE UN
ARDUINO.
PROTOTYPE OF MEASUREMENT AND QUALITY CONTROL OF THE AIR
GENERATED BY THE POLLUTION EFFECTS WITHIN THE USE OF AN
ARDUINO.
Eliana Elizabeth Morillo Taco
1
, César Sebastián Silva Proaño
2
1
Universidad de Fuerzas Armadas ESPE, Becaria Universidades de Excelencia por la Secretaria de Educación Superior, Ciencia
Tecnología e Innovación de la República del Ecuador SENESCYT, Universidad de Buenos Aires UBA.
2
Escuela Politécnica Nacional, Ponticia Universidad Católica del Ecuador, Universidad Técnica de Hamburgo, Inspector de Calidad
Airbus – DB Schenker
e – mail :
1
elianamorillo@gmail.com ,
2
sebas.silva.p@gmail.com
Resumen
El uso de los microcontroladores y la programación
generan soluciones efectivas a problemas de gran
envergadura. El problema a tratar en este artículo es
la contaminación y la calidad del aire respirable, la
cual ha sido denida por la materia particular presente
en el mismo. La materia particular con un diámetro
menor a 2.5 micrómetros, también llamada PM2.5 es
la de interés ya que se considera que esta es la que
proyecta mayor riesgo para la salud humana.
En esta obra se detalla la construcción y resultados
de una mini estación de control meteorológico por
medio de un microcontrolador Arduino y sensores
principalmente de temperatura, humedad y polvo. Los
resultados ponen a prueba el funcionamiento de esta
estación en diferentes condiciones experimentales
durante un día de medición. Se mostrarán las grácas
del índice particular PM2.5 versus las condiciones de
temperatura y humedad con su respectivo análisis.
Palabras Clave: PM, materia particular, Arduino,
calidad del aire, sensor, microcontrolador.
Abstract
The use of microcontrollers and the programming
generate effective solutions to high-scale problems.
The current problem to be dealt on this article is the
pollutions and the quality of the breathable air, which
has been dened by the particle matter inside of it.
The particle matter less than 2.5 micrometers, also
called PM2.5 is of interest because it has been consi-
dered that this one projects a higher risk for the hu-
man health.
In this article, it is dened the construction and re-
sults of a mini metrology control station within the
use of an Arduino and sensors, mainly temperature,
humidity and dust sensors. The results put on test the
functioning of the station in different experimental
conditions during one day of measurement. It will be
shown some graphs of the PM2.5 particle index ver-
sus the conditions of temperature, humidity with its
respective analysis.
Keywords: PM, particulate matter, Arduino, air quali-
ty, sensor, microcontroller.
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MORILLO, SILVA /
PROTOTIPO DE MEDICIÓN Y CONTROL DE CALIDAD DEL AIRE GENERADOS POR EFECTOS DE LA CONTAMINACIÓN
MEDIANTE LA UTILIZACIÓN DE UN ARDUINO,
1. INTRODUCCIÓN
El desarrollo y progreso de la electrónica han
permitido que su uso y aplicación se extienda de gran
manera en innitos campos.
Hoy en día mediante el uso de un microcontrolador
tipo Arduino, se puede combinar la electrónica y la
programación de una manera práctica y visible, lo
cual permite que su aprendizaje y asimilación sea
más efectiva.
El tema de la contaminación ha sido un tema focal
de gran importancia en muchos países y el mundo
entero en general. De hecho, en 1995 se estableció
un acta medioambiental en búsqueda de que las
autoridades del mundo puedan velar por la revisión y
manejo de la calidad del aire en sus regiones. [1]
En este artículo se detallará como el uso de un
microcontrolador Arduino combinado con sensores
de humedad, temperatura y partículas de polvo,
complementado por supuesto con una correcta
programación pueden brindar la posibilidad de
analizar numérica y cualitativamente el aire respirable.
Con este objetivo en mente es necesario entonces
detallar algunas deniciones para la comprensión
más efectiva de este artículo.
En primer lugar, se dene la relación entre
los contaminantes existentes en el aire y la salud
humana, debido a que esta es la motivación principal
para poder llevar a cabo este proyecto. Para los seres
humanos, los efectos directos de los contaminantes
en el aire en la salud pueden ser cuanticados por
medio de la muerte prematura, y diversos estados de
enfermedad como por ejemplo el asma, la bronquitis
y enfermedades cardiovasculares. La materia
particular que viene del inglés “Particulate Matter”
es el único criterio de la contaminación en el aire que
no ha podido ser denido químicamente. Un PM en
el aire alto indica la posible presencia de toxicidad
en el aire por metales tóxicos, mientras que un PM
bajo indica la presencia de sustancias químicamente
benignas como tierra o polvo. [2]
Según la EPA (United States Environmental
Protection Agency) se dene PM como “Particle
Matter” o materia particular, que también recibe
el nombre de contaminación particular o “particle
pollution”. La contaminación particular se puede
denir mediante 2 tamaños o dimensiones de materia
particular [3]:
• PM
10
: Partículas respirables con diámetro de
generalmente 10 micrómetros o más pequeñas, y:
• PM
2.5
: Partículas nas respirables con diámetro
de generalmente 2.5 micrómetros o más pequeñas.
Tan solo pensando en un simple cabello humano,
este cabello tiene alrededor de 70 micrómetros de
diámetro, lo cual lo hace 30 veces más grande que
la partícula más na, como muestra la Figura 1
Figura 1. Comparación de tamaño para las partículas PM
El efecto nocivo de la materia particular se explica a
través de la EPA cuando sólidos microscópicos o gotas
líquidas pueden ser inhaladas. Algunas partículas de
tamaño menor a 10 micrómetros de diámetro pueden
entrar profundamente a los pulmones y hasta dentro
del sistema sanguíneo. De estas partículas, aquellas
con diámetro menor a 2.5 micrómetros de diámetro
son las que tienen un mayor riesgo a la salud. [3]
A continuación, es necesario denir otros
dos conceptos básicos de esta investigación: la
temperatura y la humedad.
La temperatura es básicamente la medida que
establece cuan frío o cuan caliente es un cuerpo. El
termómetro es el instrumento más elemental para
este n. Existen diferentes escalas para medir la
temperatura: Celsius (denotado como
o
C y llamado
también Centígrado), Fahrenheit (denotado como
F), y para propósitos cientícos se utiliza el Kelvin
(denotado como K). [4]
La humedad es denida como la cantidad de vapor
de agua presente en el aire. El vapor de agua por
otro lado, es el estado gaseoso del agua que no es
visible. El valor de la humedad indica la probabilidad
de precipitación, niebla o rocío. Existen 3 medidas
importantes de la humedad: la humedad absoluta, la
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humedad relativa y la humedad especíca. [5]
La humedad absoluta es denida como la medida del
vapor de agua que está presente en el aire. Su unidad
de medida está denida como gramos de vapor de
agua por centímetro cúbico de la mezcla de aire y
vapor de agua (g/cm
3
). [5]
(Ec. 1)
La humedad relativa de una mezcla de aire-agua
es la relación de la presión parcial de vapor de agua
dividido para el equilibrio de la presión de vapor. La
presión parcial por otro lado, es denido como la
presión hipotética de un gas como si este ocupara el
volumen total de la mezcla original de gas a la misma
temperatura. Su relación está dada por la siguiente
fórmula: [5]
(Ec. 2)
La humedad especíca también denominada
contenido de humedad es la relación entre el vapor de
agua másico dividido para la masa total del aire. Se
dene por medio de la siguiente ecuación: [6]
(Ec. 3)
Adicionalmente se van a denir de manera breve
3 conceptos básicos adicionales para un mejor
entendimiento del concepto de la humedad: la
temperatura de bulbo húmedo, la temperatura de
bulbo seco y el punto de rocío.
La temperatura de bulbo húmedo es denida
como la temperatura de una masa de aire cuando es
enfriada hasta su saturación, en otras palabras, cuando
alcanza el 100% de la humedad relativa debido a la
evaporación del agua entro de esta masa de aire. [7]
La temperatura de bulbo seco es la temperatura del
aire medido con un termómetro aislado de la radiación
y la humedad. Es la temperatura termodinámica
verdadera que muestra la cantidad de calor en el aire
y es directamente proporcional a la energía cinética
media de las moléculas de aire. En contraparte con
la temperatura de bulbo húmedo, la temperatura de
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bulbo seco no indica la humedad en el aire. [7]
El punto de rocío es denido como la temperatura
a la cual una muestra de aire húmedo a la misma
presión sería capaz de alcanzar la saturación del vapor
de agua. En este punto una mayor remoción del calor
resultaría en vapor de agua condensándose e niebla de
agua líquida. [7]
Denidos estos conceptos básicos, se puede
adentrar ahora en la teoría sobre la relación entre la
temperatura y la humedad. Existen dos relaciones de
gran importancia: el cuadro psicométrico y la tabla de
humedad relativa.
El cuadro psicométrico es una herramienta que
representa la temperatura y la humedad de manera
gráca, ver Figura 2. Este cuadro puede ser utilizado
para determinar el confort térmico humano y las
estrategias de aire acondicionado para garantizar este
confort. [8]
Figura 2. Carta Psicométrica
La Tabla de humedad relativa establece relacione
empíricas entre la temperatura y la humedad. La
humedad relativa es utilizada aquí para este n: [9]
Tabla 1. Relación entre la humedad relativa y la temperatura
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2. Materiales y Métodos
Establecidas las bases teóricas de esta investigación, es
posible en este momento establecer la metodología de
la investigación y el desarrollo del equipo para dar una
solución efectiva al control y medición de la calidad del
aire respirable.
En primer lugar, tal y como se detalló en la primera
sección de este artículo, se va a hacer uso de un
microcontrolador de tipo Arduino. Existen 2 tipos de
Arduino de gran interés para este proyecto: El Arduino
UNO R3 y el Arduino ATMEGA 2560; ver Figura 4.
Figura 3. Arduino UNO R3
Figura 4. Arduino ATMEGA 2560
En la Tabla 2, se realiza una comparación entre estos
2 tipos de microcontroladores tipo Arduino: [10]
Tabla 2. Relación entre la humedad relativa y la temperatura
Arduino
MEGA
Arduino
UNO
Voltaje 5V
5V
Digital I/O 54
14
Entradas Analógicas 16
6
Velocidad 16 MHz
16 MHz
PMW 14
6
Memoria Flash 256 KB
32 KB
EEPROM
(almacenamiento
permanente)
4 KB 1 KB
SRAM (para
almacenamiento de
trabajo)
8 KB 2 KB
Se va a hacer uso también de un escudo WIFI de
Arduino; ver Figura 5 con el n de establecer la
conexión a internet que permitirá la migración de los
datos captados por los sensores a una base de datos
SQL que almacenará la información para su futuro uso
y evaluación por medio de grácas.
Este escudo de WIFI también dispone de una ranura
para SD que se podrá utilizar para el almacenamiento
de la información en una tarjeta física. Esto con el n
de que en caso que la conexión a internet falle, entonces
se dispone de un respaldo físico de la información de
los sensores. [11]
Figura 5. Escudo WIFI de Arduino
Las medidas de la materia particular en el aire se
realizarán mediante el uso de un sensor de polvo tipo
SAMYOUNG DSM501a; ver Figura 6
El DSM501a es un sensor de partículas de polvo
capaz de medir el “low ratio” de las partículas de polvo,
su concentración, el índice y número de partículas.
Utiliza el principio del contador de partículas para la
medición de la densidad del polvo presente en el aire.
Aplicando una alta sensibilidad, incluso partículas
nas mayores a 1 micrómetro pueden ser detectadas;
ver Figura 4 [12]
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Figura 6. Sensor de polvo DSM501a
Figura 7. Dimensiones relevantes para el sensor de polvo DSM501a
Las conexiones de los pines para el DSM501a se
muestran en la Tabla 3. [12]
Tabla 3. Conexión de pines para el DSM501a
Número
del pin
Nombre del pin Descripción
1 Control
Vout 1 control
2 Vout 2
Vout 2 output (PMW)
3 VCC
Alimentación positiva
4 Vout 1
Vout 1 output (PWM)
5 GND
Tierra
El pin 2 – Vout 2 es el encargado de detectar partículas
mayores a 1 micrómetro de diámetro. Mientras que el
pin 4 – Vout 1 tiene un rango de detección entre 1 y 2.5
micrómetros.
El “low ratio” es denido como el pulso bajo
ocupado durante un cierto período, como muestra la
Figura 8. Para el DSM501a se recomienda un tiempo
de medición de 30 segundos. El ancho del pulso bajo
es entre 10 y 90 milisegundos. En la siguiente gura
se explica de una manera más precisa el concepto del
“low ratio”: [13]
Figura 8. Descripción del “low ratio”
La siguiente ecuación explica el “low ratio”:
(Ec. 4)
Una vez denido el “low ratio” es posible mediante
las grácas del sensor DSM501a poder determinar
la concentración de partículas (mg/m
3
); ver Figura
9, el índice de partículas (pcs/283ml) y el número de
partículas (pcs); ver Figura 10 [13]
Figura 9. “low ratio” vs. concentración de partículas
Utilizando un proceso de regresión lineal, se puede
establecer las fórmulas que rigen el comportamiento de
las curvas, por tanto, considerando que:
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Para la curva en azul:
(Ec. 5)
(Ec. 6)
Para la curva en rojo:
(Ec. 7)
(Ec. 8)
Para la curva en magenta:
(Ec. 9)
(Ec. 10)
Figura 10. “low ratio” vs. índice de partículas
Considerando que:
Para la curva en magenta:
Figura 11. “low ratio” vs. número de partículas
Considerando que:
De manera adicional se van a citar el resto de
instrumentos que se van a utilizar para la ejecución del
experimento: Un display tipo IIC/I2C/TWI, un reloj en
tiempo real I2C RTC DS1307, un sensor de temperatura
y humedad tipo DHT22, un protobard, un switch ON/
OFF y nalmente un power bank para la alimentación
energética del dispositivo.
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Figura 12. Display LCD IIC/I2C/TWI
Figura 13. Reloj en tiempo real I2C RTC DS1307
Figura 14. Sensor de temperatura y humedad DHT22
Figura 15. Protoboard
Figura 16. Switch ON/OFF
Figura 17. Power bank
Finalmente, se muestra el esquema del circuito que
se va a utilizar para este proyecto:
Figura 18. Circuito de la estación de medición de contaminación en
el aire
3. Resultados y Discusión
En esta sección se va a detallar uno de los varios
experimentos realizados con la estación de medición.
Además, se añade el uso de un NETATMO para la
medición más exacta de temperatura y humedad.
Figura 19. NETATMO Metrology Station
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El proceso de medición fue realizado en una cocina
de una vivienda desde las 0:00 horas hasta las 22:04 del
día siguiente.
Durante este período de tiempo se realizaron algunas
actividades en este cuarto de la casa, y las mismas se
detallan en la Tabla 4:
Tabla 4. Actividades llevadas a cabo durante el proceso de medición
D esde H asta
Actividad
A 00:00 09:15
Personas durmiendo, ventanas
cerradas y sin personas en la
cocina
B 09:15 11:00
Cocinando, personas en la cocina
C 10:18 12:51
Se prendió 3 velas
D 11:00 14:58
Se abrió las ventanas
E 12:51 13:30
Cocinando, personas en la cocina
F 14:16 17:07
2 velas y se prendió un ventilador
G 14:58 00:00
Ventanas cerradas
H 16:23 18:35
Calefactor encendido
I 17:08 17:12
Limpieza de la cocina, el piso fue
barrido
J 17:12 18:35
Uso de un ventilador en el cuarto
K 17:54 17:59
Uso de un cigarrillo electrónico
L 18:35 20:31
Se prendió 1 vela
M 20:31 22:04
1 vela más ventilador
N 22:04 00:00
Cuarto vacío sin personas
A continuación, se presenta el esquema del equipo
utilizado.
Figura 20. Esquema del equipo utilizado
Tabla 5. Elementos del esquema del proyecto
Elemento
Descripción
1
Sensor de polvo DSM501a
2
LCD IIC/I2C/TWI
3
Protoboard
4
Arduino MEGA 2560 con escudo de WIFI
5
Sensor de temperatura y humedad DHT22
6
Reloj en tiempo real I2C RTC DS1307
7
Distribuidor USB
8
Cable de alimentación
9
Estación NETATMO
En estas condiciones, se presentan los siguientes
resultados:
Figura 21. Resultados del experimento
Se pueden observar en los resultados mostrados
que 2 picos son alcanzados. El primero desde las
11:00 hasta las 12:30 y el segundo desde las 14:00
hasta las 17:00. El primero se debe a la existencia
de las 3 velas prendidas y también por el uso de la
cocina.
En este período se observa como la humedad
relativa incrementa debido a la existencia del vapor
como consecuencia de la actividad en la cocina. Un
índice de partículas promedio de 4.0E+07 pcs/m
3
para las partículas de 1.0 micrómetros es obtenido.
El segundo valor pico es debido al uso de las 2
velas con un ventilador que realiza la convección de
las partículas directamente al sensor. Este proceso
dura desde las 14:16 hasta las 17:07. Aquí se alcanza
una concentración máxima de 4.5E+07 pcs/m
3
para
las partículas de 1 micrómetro.
Con estos resultados se puede analizar que el
dispositivo puede detectar la presencia de partículas
en el aire cuando existe la presencia de fuego.
Desde las 0:00 hasta las 10:00 en actividad normal
el índice de partículas es de 0.5E+07 pcs/m
3
.
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4. Conclusiones
En este proyecto se detalla el proceso experimental
para poder realizar una estación meteorológica de
bajo costo con el n de procurar un mejor control y
calidad del aire respirable.
Dependiendo del uso que se desee dar, el
microcontrolador tipo Arduino abre la posibilidad
de realizar un diverso tipo de conexiones para la
obtención de las medidas de los sensores.
Por medio de un diseño 3D se podría implementar
una carcasa que una todos los implementos citados
en este artículo, y de esta manera se puede ampliar
el uso del equipo ya sea en plantas industriales o en
algunos puntos de una ciudad.
Se podría implementar una serie de estos
dispositivos en varias partes de una ciudad, con el n
de analizar los niveles de contaminación del aire. De
esta manera se podría procurar un mejor control del
aire respirable.
La materia particular de mayor relevancia es
aquella que está por debajo de 2.5 micrómetros de
diámetro, puesto que esta materia como e explicó
anteriormente es la que incide de manera negativa en
la salud del cuerpo humano. El sensor aquí detallado,
el DSM501a permite la detección de materia
particular de hasta 1 micrómetro.
El experimento realizado conrma la validez
y funcionamiento del dispositivo. Sobre todo, al
constatar que su funcionamiento y resultados fueron
coherentes con las actividades que se realizaron en el
lapso de tiempo descrito.
5. Referencias
[1] R. E. Herster y R. M. Harrison, Air Quality
Management, Primera ed., Cambridge: The
Royal Society of Chemistry, 1997.
[2] R. F. Phalen y Phalen R. N., Introduction to Air
Pollution Science - A public health perspective,
Burlington: Jones & Barlett Learning books,
2013.
[3] EPA - United States Environmental Protection,
«Particulate Matter (PM) Basics,» EPA, 01 02
2019. [En línea]. Available: https://www.epa.gov/
pm-pollution/particulate-matter-pm-basics.
[4] H. Buchdahl, The Concepts of Classical
Thermodynamics, Cambridge UK: Cambridge
University Press, 1966.
[5] R. Perry y D. Green, Perry’s Chemical Engineer’s
Handbook, vol. Edición Octava, Kansas:
McGraw-Hill, 2007.
[6] R. Weast, M. Astle y W. Beyer, CRC Handbook
of Chemistry and Physics, Florida: CRC Press,
Inc., 1989.
[7] University UtahState, «Temperature - Moisture
Relationship,» UtahState, 28 02 2017. [En línea].
Available: http://ocw.usu.edu/Forest__Range__
and_Wildlife_Sciences/Wildland_Fire_Mana.
[8] Autodesk, «Pshychometric Charts,» Autodesk
Sustainability Workshop, 03 03 2017. [En
línea]. Available: https://sustainabilityworkshop.
autodesk.com/buildings/psychrometriccharts.
[9] EDUPLACE, «Student Resource Page
Information Sheet,» Relative Humidity Table,
03 03 2017. [En línea]. Available: https://www.
eduplace.com/science/hmxs/es/pdf/5rs_3_2-3.
pdf.
[10] ArduinoStarterKits, «Arduino Mega vs. UNO
Reviewed and Compared,» Arduino Starter Kits,
05 03 2017. [En línea]. Available: https://www.
arduinostarterkits.com/reviews/arduino-mega-
vsuno-compared/.
[11] Arduino, «Arduino WIFI Shield,» Arduino
Products, 05 03 2017. [En línea]. Available: https://
www.arduino.cc/en/Main/ArduinoWiFiShield.
[12] Elecfreaks, «Specications DSM501a,» Dust
Sensor Module DSM501a, 06 03 2017. [En línea].
Available: http://www.elecfreaks.com/store/
download/product/Sensor/DSM501A/DSM50.
[13] Elektronik.Ropla, «Particle / Dust Sensor
Module,» SAMYOUNG S & C, 07 03 2017. [En
línea]. Available: https://www.elektronik.ropla.
eu/pdf/stock/smy/dsm501.pdf.
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6. Biografía
1
Eliana Morillo. – Magíster en
Dirección Industrial (Universidad
de Buenos Aires), Becaria
Universidades de Excelencia
2014 (Secretaría de Educación
Superior, Ciencia, Tecnología e
Innovación de la República del
Ecuador), Ingeniera Automotriz
(Universidad de Fuerzas Armadas ESPE).
2
Sebastián Silva. – Master of
Science in Mechatronics
(Technische Universität Hamburg
– Harburg), Máster en
Administración de Empresas
(MBA) con mención en Calidad y
Productividad (Ponticia
Universidad Católica del
Ecuador), Ingeniero Mecánico (Escuela Politécnica
Nacional). Inspector de calidad de partes de aviones y
equipo de soporte en tierra Airbus con la empresa DB
Schenker en Hamburgo, Alemania.
Autor para correspondencia:
elianamorillo@gmail.com
REGISTRO DE LA PUBLICACIÓN
Fecha recepción 20 septiembre 2019
Fecha aceptación 26 diciembre 2019