Integración y test de módulos de medición de partículas PM2.5 y PM10 para la valoración de la calidad del aire

Pérez Maqueira, Francisco (2018). Integración y test de módulos de medición de partículas PM2.5 y PM10 para la valoración de la calidad del aire. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM), Madrid.

Descripción

Título: Integración y test de módulos de medición de partículas PM2.5 y PM10 para la valoración de la calidad del aire
Autor/es:
  • Pérez Maqueira, Francisco
Director/es:
  • Torroja Fungairiño, Yago
Tipo de Documento: Proyecto Fin de Carrera/Grado
Grado: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Fecha: Febrero 2018
Materias:
Palabras Clave Informales: PM, contaminación atmosférica, Arduino, firmware, puerto serie, Honeywell, Processing, interfaz, Bluetooth, Android, red social
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Automática, Ingeniería Eléctrica y Electrónica e Informática Industrial
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

La contaminación atmosférica es un tema de importancia creciente en la actualidad. La sociedad ya conoce sus riesgos para la salud humana y toma medidas, en muchos casos insuficientes, para evitarla. Los ciclistas son uno de los grupos que más padecen sus efectos, especialmente cuando practican este deporte en núcleos urbanos. De aquí surge el objetivo del proyecto. Este no es más que ayudar a este colectivo a minimizar los efectos de la contaminación atmosférica, permitiéndoles conocer en tiempo real y a pequeña escala la cantidad de agentes contaminantes presentes en el entorno. Para ello, se propone la creación de un conjunto de sensores que permitan detectar la cantidad y el tipo de contaminantes a los que un potencial cliente está sometido. Una vez obtenidos estos resultados, se enviarían por Bluetooth al teléfono móvil del usuario, el cual los compartiría con otras personas que posean esta plataforma de detección. Los usuarios del producto formarían parte así de un atisbo de red social, en la cual estarían informados en tiempo real sobre qué zonas de su ciudad están más contaminadas, pudiendo elegir así la ruta de circulación más conveniente. Debido a los requisitos del proyecto, los sensores a utilizar deben ser económicos, ligeros y de reducidas dimensiones, y deben poseer una autonomía considerable. Este Trabajo de Fin de Grado, enmarcado en el proyecto anteriormente descrito, abarca varias de sus etapas. Se trata de la continuación de otro trabajo, en el cual se diseñaron y montaron dos sensores: un sensor de partículas en suspensión, y una plataforma de agentes electroquímicos. El presente documento se centra en el estudio del sensor de partículas. Tiene dos objetivos principales: Probar el sensor, el cual no estaba calibrado, y conseguir que realice medidas correctas, clasificando las partículas según su diámetro en PM10 o PM2.5.  Conectar el sensor con un smartphone, a través de una aplicación válida para el sistema operativo Android. De esta manera, los resultados obtenidos por el sensor podrán visualizarse a través de un teléfono móvil. Para la calibración del sensor, en primer lugar se debe estudiar su electrónica, y proponer un montaje, en el cual el dispositivo se conecta a un microcontrolador. Este podrá procesar las señales analógicas provenientes de la salida del sensor. Se decide utilizar una placa Arduino Uno a la que va acoplada una placa de prototipado, a la cual se sueldan los cables del sensor. Posteriormente se debe proponer un software que permita comunicarse con el sensor y obtener los datos de las partículas según su tamaño. En este caso, el sensor utiliza una tecnología láser, por la cual un fototransistor recibe una corriente de intensidad proporcional según el diámetro de partícula. Esta corriente se transforma a tensión, la cual se amplifica y envía a la placa. Aquí llega a través de un pin analógico, obteniéndose un número entre 0 y 1023, correspondiente a su tamaño, tras pasar por el convertidor analógico-digital. Para el procesar esta señal, se diseña un firmware en Arduino que lee el pin analógico y recoge los datos numéricos, agrupándolos en un vector. Aparte de comunicarse con el sensor, el firmware Arduino se comunica con una interfaz gráfica, programada en el entorno de desarrollo Processing. Esta interfaz realiza varias tareas fundamentales:  Envía los parámetros del experimento al programa Arduino a través del puerto serie. Se puede elegir a través de barras de control y botones el comienzo y el fin de un experimento, así como el tiempo de ensayo.  Recibe los datos del firmware a través del puerto serie. Tras recibirlos, clasifica las partículas según su tamaño. Se obtiene el porcentaje de partículas de diámetro menor que 2.5 μm (PM2.5), las cuales son consideradas como peligrosas, ya que son capaces de penetrar en los pulmones, y las menores que 10 μm (PM10).  Muestra los resultados, lo que permite a su vez analizarlos, mediante un gráfico y una representación tridimensional. En un principio, la interfaz trata de ser lo más genérica posible, ya que no se conocen las condiciones de ensayo que mejor vendrán al sensor, modelos de referencia o resultados. Para completar el otro objetivo del presente trabajo, en el cual deben transferirse datos de manera inalámbrica entre un teléfono móvil y el sensor, se requiere de la tecnología Bluetooth. Se utiliza el módulo Bluetooth HC-05 que, al igual que el sensor, está conectado a la placa. La comunicación entre ambos se realiza mediante el puerto serie, a través de los pines de transmisión y recepción de Arduino (RX y TX, pines de la comunicación UART). Para la comunicación placa – módulo Bluetooth se utiliza el mismo firmware que para la interfaz gráfica, el cual interactúa con la aplicación Android creada. La app, desarrollada también en el entorno Processing, debe estar instalada en el teléfono del usuario, y permite comenzar y visualizar ensayos de una forma sencilla en el propio teléfono. Tras finalizar el desarrollo software, se llevó a cabo el periodo de pruebas y calibración, el cual resultó complicado debido a la falta de referencias con las que compararlo. Inicialmente, se probó individualmente este sensor utilizando la interfaz gráfica, observando si se podían medir, en un principio de forma cualitativa, y más adelante cuantitativamente, las partículas que atraviesan el sensor. Esta calibración individual proporcionó malos resultados.A pesar de que normalmente, al aumentar la concentración de contaminantes (se utilizó mayormente humo), en una zona cercana al sensor, las medidas del pin analógico aumentaban ligeramente, se observaron los siguientes problemas:  Influencia de la luz solar, que aumenta excesivamente los valores de las medidas, formando picos irregulares.  Presencia de ruido al mover el sensor de lugar, sobre todo si se coge con la mano.  Picos puntuales a la hora de introducir partículas en una zona cercana al sensor. Realmente debería obtenerse una medida más uniforme, que permita ver la evolución del contaminante.  Resolución muy baja, ya que las medidas son tan pequeñas que no permiten mostrar cambios en la concentración de partículas. Aunque se encontraron estos problemas, realmente no se conocía cuál era la evolución de la concentración de partículas, debido a la no existencia de un modelo de referencia. Por esto se decidió comparar el sensor desarrollado, con otro sensor de partículas comercializado, ya calibrado, y que permite obtener resultados fácilmente. Este es el modelo de Honeywell HPMA115S0–XXX. Para comparar ambos sensores se tuvo que realizar otro montaje sobre otra placa Arduino Uno, y desarrollar otro firmware que fuese capaz de comunicarse con el sensor. Tras esto, se modificó la interfaz gráfica realizada en Processing para incorporar este nuevo sensor, y poder analizar ambos sensores al mismo tiempo. Se realizaron por tanto pruebas con ambos sensores funcionando bajo la misma atmósfera contaminada. En estos experimentos se observó que el sensor Honeywell sí funcionaba de una forma lógica, y la variación de sus mediciones en el tiempo era cualitativamente igual a la variación de contaminantes. Por otro lado, el sensor original a estudio seguía obteniendo valores bajos y con poca resolución. Además continuaba viéndose afectado por agentes externos. Tras modificar varios parámetros de su electrónica, los resultados no mejoraron. Por tanto, se concluye que el sensor original a estudio no es adecuado para la medición de partículas PM2.5 y PM10. A pesar de haber variado las condiciones externas e internas del sensor, sus medidas no tenían la suficiente resolución, ni variaban de forma lógica ante cambios en la concentración de contaminantes. Por otro lado, sí se considera que el sensor Honeywell es adecuado para la medición de partículas en suspensión, al menos con la precisión requerida para el proyecto. Además, este sensor es más sencillo de utilizar, y económicamente rentable. Es por esto que se recomienda continuar el proyecto a partir de las medidas de este sensor. En cuanto a la aplicación Android, los resultados han sido correctos, ya que se ha conseguido el objetivo de comunicar el sensor con un teléfono móvil. Próximos objetivos deberían ser aumentar la complejidad de la aplicación, creando una pequeña red social, y mejorar las prestaciones del módulo Bluetooth, optando por versiones BLE (Bluetooth Low Energy).

Más información

ID de Registro: 50268
Identificador DC: http://oa.upm.es/50268/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:50268
Depositado por: Biblioteca ETSI Industriales
Depositado el: 20 Abr 2018 14:53
Ultima Modificación: 20 Abr 2018 14:53
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