SISTEMA PARA EL CONTROL DE LA CALIDAD DE AIRE CON ARDUINO

ERIKA LOZANO RAMREZGUSTAVO MESTRA GARAY

Proyecto de aula

Tutor:Ing. Samir Castao

UNIVERSIDAD DE CRDOBAFACULTAD DE INGENIERIASPROGRAMA DE INGENIERIA DE SISTEMAS Y TELECOMUNICACIONESMONTERIA2013

INTRODUCCIN

El ser humano en su afn de conquista, cada da amplia las fronteras de sus dominios sobre el medio fsico que le rodea. Esta es una cuestin que impone en nuestra civilizacin una serie de costos que en muchos casos son grandes, pero es tambin cierto que las ventajas estn presentes en este avance de la ciencia y la tecnologa.

1. DESCRIPCIN DEL PROBLEMA

La universidad crdoba se caracteriza por poseer programas excelentes en el rea de las ciencias bsicas, como qumica, fsica y biologa, los cuales tiene la caracterstica de utilizar laboratorios para realizar experimentos. En los programas como qumica y biologa es muy comn el realizar experimentos de laboratorio con sustancias que en concentraciones fuera de rangos aceptables podran ser nocivos para la salud humana.Los gases como el NH3 (Amoniaco), NOx (xidos de nitrgeno), Alcohol, Benceno, CO2 (dixido de carbono), entre otros, pueden afectar al Sistema Respiratorio, al Sistema cardiovascular, al Sistema nervioso y a la Piel, alterando el equilibrio fsico y mental del ser humano. Estos tipos de gases son utilizados por estudiantes y docentes en experimentos de laboratorio en la universidad. Si no damos un paseo por estas aulas podemos notar que estos a pesar de contar con cmaras de extraccin no tienen un sistema que les permita saber si la concentracin de gases en ellas est en niveles adecuados para la salud del ser humano en este caso de los estudiantes y docentes de la universidad.La universidad de Crdoba tambin cuenta con almacenes donde se guardan todos los qumicos que se utilizan para los experimentos, estos almacenes no cuentan con ningn sistema que permita saber de igual forma, en que niveles se encuentra la concentracin de gases.Por lo anterior expuesto podemos notar que a pesar de existir seguridad en los laboratorios y almacenes exigido a los estudiantes como batas, guantes, tapabocas, no poseen un sistema que logre determinar, mostrar, controlar y alertar si la concentracin de gases del ambiente superan niveles a los que pueda estar expuesto el ser humano mostrando un peligro inminente para la salud de los alumnos y profesores que utilizan las aulas adaptadas para los experimentos de laboratorio.Un sistema para el control de la calidad de aire en los laboratorios o almacenes de la universidad de Crdoba permitir proporcionar un mejor ambiente de trabajo para los alumnos y docentes que hacen uso de estos?

2. OBJETIVOS

2.1. OBJETIVO GENERAL

Construir un sistema de control de la calidad aire con la plataforma de desarrollo Arduino para proporcionar un ambiente controlado ya sea en laboratorios o almacenes de reactivos en la universidad de Crdoba.

2.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS

Determinar que el ambiente del aula se encuentre en ptimas condiciones para una persona.

Alertar de manera visual y auditiva los cambios de la concentracin de gases en el ambiente cuando estos no sean aptos.

Registrar las lecturas diarias de los niveles de concentraciones de gases en el ambiente.

3. ESTADO DEL ARTE

3.1. ANTECEDENTES

3.2. MARCO TERICO

3.2.1. ARDUINO

Arduino es una plataforma de cdigo abierto basado en prototipos de electrnica flexible y fcil de usar hardware y software. Est pensado para artistas, diseadores, aficionados y cualquier persona interesada en la creacin de objetos interactivos o entornos.[footnoteRef:2] [2: http://www.arduino.cc/ ]

El hardware consiste en una placa con un microcontrolador Atmel AVR y puertos de entrada/salida. Por otro lado el software consiste en un entorno de desarrollo que implementa el lenguaje de programacin Processing/Wiring y el cargador de arranque (boot loader) que corre en la placa.Arduino est basado en C y soporta todas las funciones del estndar C y algunas de C++. Sintaxis BsicaDelimitadores: ;, {}Comentarios: //, /* */Cabeceras: #define, #includeOperadores aritmticos: +, -, *, /, %Asignacin: =Operadores de comparacin: ==, !=, , =Operadores Booleanos: &&, ||, !Operadores de acceso a punteros: *, &Operadores de bits: &, |, ^, ~, Operadores compuestos:Incremento/decremento de variables: ++, --Asignacin y operacin: +=, -=, *=, /=, &=, |=[editar]Estructuras de controlCondicionales: if, if...else, switch caseBucles: for, while, do... whileBifurcaciones y saltos: break, continue, return, goto VariablesEn cuanto al tratamiento de las variables tambin comparte un gran parecido con el lenguaje C. ConstantesHIGH / LOW: niveles alto y bajo en pines. Los niveles altos son aquellos de 3 voltios o ms.INPUT / OUTPUT: entrada o salidatrue / false Tipos de datosvoid, boolean, char, unsigned char, byte, int, unsigned int, word, long, unsigned long, float, double, string, array Conversin entre tiposEstas funciones reciben como argumento una variable de cualquier tipo y devuelven una variable convertida en el tipo deseado.char(), byte(), int(), word(), long(), float() Cualificadores y mbito de las variablesstatic, volatile, const Utilidadessizeof() Funciones BsicasEn cuanto a las funciones bsicas del lenguaje nos encontramos con las siguientes: E/S DigitalpinMode(pin, modo)digitalWrite(pin, valor)int digitalRead(pin) E/S AnalgicaanalogReference(tipo)int analogRead(pin)analogWrite(pin, valor) E/S AvanzadashiftOut(dataPin, clockPin, bitOrder, valor)unsigned long pulseIn(pin, valor) Tiempounsigned long millis()unsigned long micros()delay(ms)delayMicroseconds(microsegundos) Matemticasmin(x, y), max(x, y), abs(x), constrain(x, a, b), map(valor, fromLow, fromHigh, toLow, toHigh), pow(base, exponente), sqrt(x) Trigonometrasin(rad), cos(rad), tan(rad)[editar]Nmeros aleatoriosrandomSeed(semilla), long random(mx), long random(mn, mx) Bits y ByteslowByte(), highByte(), bitRead(), bitWrite(), bitSet(), bitClear(), bit()[editar]Interrupciones externasattachInterrupt(interrupcin, funcin, modo)detachInterrupt(interrupcin)[editar]Interrupcionesinterrupts(), noInterrupts() Comunicacin por puerto serieLas funciones de manejo del puerto serie deben ir precedidas de "Serial." aunque no necesitan ninguna declaracin en la cabecera del programa. Por esto se consideran funciones base del lenguaje.begin(), available(), read(), flush(), print(), println(), write()

3.2.2. SENSOR DE GAS MQ-135La serie de sensores de gas MQ utilizan un pequeo calentador interior con un sensor electro-qumico. Son sensibles para una amplia gama de gases y se usan en interiores a temperatura ambiente.La salida es una seal analgica y se puede leer con una entrada analgica de la Arduino.El voltaje para el calentador interno es muy importante. Algunos sensores utilizan 5V para el calentador, otros necesitan 2V. El 2V se puede crear con una seal PWM, utilizando analogWrite() y un transistor MOSFET o de nivel lgico.

El calentador puede no estar conectado directamente a una salida pines de la Arduino, ya que utiliza demasiada corriente para eso.Algunos sensores necesitan algunos pasos para la calefaccin. Esto puede ser programado con una funcin analogWrite() y retrasos. Un transistor o nivel lgico mosfet debe tambin en esta situacin puede utilizar para el calentador. Si se utiliza en un dispositivo que funcione con bateras, un transistor MOSFET o lgica de nivel, tambin podra ser utilizado para cambiar el calentador de encendido y apagado.Los sensores que utilizan 5V o 6V para el calentador interno hacen entrar en calor. Se puede conseguir fcilmente 50 o 60 grados centgrados. Despus del "burn-in", el calentador tiene que estar en unos 3 minutos (probado con MQ-2) antes de que las lecturas se estabilicen.

Burn-inAlgunas hojas de datos usan el trmino "precalentamiento", pero es el momento de grabar en el sensor. Esto es cin para hacer las lecturas de los sensores ms consistente. Un tiempo de 12 o 24 horas se Solemos ser utilizado para el tiempo de combustin. El en Burn-se consigue mediante la aplicacin de energa normal para el sensor (para el calentador y con la 'A' y 'B' pins conectados, y con una carga de resistencia). En algunos casos particulares, el burn-in especfico que se necesita. Consulte la hoja de datos si el sensor necesita una especfica burn-in. MQ-135Para la Calidad del Aire, Sensible para el benceno, alcohol, humo entre otros. El calentador utiliza 5V.3.2.3. DISPLAY LCD El LCD tiene un aspecto fsico como el mostrado en la figura . Est constituido por un circuito impreso en el que estn integrados los controladores del display y los pines para la conexin del display. Sobre el circuito impreso se encuentra el LCD en s, rodeado por una estructura metlica que lo protege.En total se pueden visualizar 2 lneas de 16 caracteres cada una, es decir, 2x16=32 caracteres. A pesar de que el display slo puede visualizar 16 caracteres por lnea, puede almacenar en total 40 por lnea. Es el usuario el que especifica qu 16 caracteres son los que se van a visualizar.

3.2.4. ZUMBADOR ELECTRNICO

3.2.5. LED ALTO BRILLO

3.2.6. RELE

4. METODOLOGIA

4.1. TIPO DE TRABAJOEl tipo de trabajo es de desarrollo tecnolgico e investigativo ya que este pretende a travs de la investigacin realizar un producto tecnolgico que pueda mejorar la calidad de vida del ser humano. En el caso de este proyecto se propuso brindar a travs de un dispositivo electrnico funcional y en conjunto con Arduino un sistema que permita alertar cuando el ambiente no es propicio, ya sea en laboratorios o en lugares cerrados donde se manipulen sustancias que pueden ser nocivas para la salud humana.4.2. PROCESO DE INVESTIGACIN

4.2.1. FASE I: ESTUDIO, ANALISIS E INTERPRETACION DEL SISTEMA.El Estudio se hizo a travs de la observacin directa; en la cual se observ la deficiencia en el control de la calidad del aire en ambientes hermticos como lo son laboratorios o almacenes de reactivos, despus de un anlisis de la situacin se decidi implementar la herramienta que lograra de manera eficaz corregir el problema hallado. Este fue realizado en dos semanas en la universidad de crdoba.4.2.2. FASE II: DISEO E IMPLEMENTACIN DEL SISTEMA(hardware, Software)4.2.3. 4.2.3.1. Diagrama esquemtico del circuito

4.2.3.2. Diagrama esquemtico del sensor MQ-135

4.2.3.3. Diagrama PCB Circuito

4.2.3.4. Diagrama PCB Sensor

4.2.3.5. Diagrama componentes del circuito

4.2.3.6. Diagrama componentes del sensor

4.2.3.7. Codificacin Arduino#include

int sensorPin = 0; // MQ-135int lectura = 0;

int led_v = 10;int led_a = 9;int led_r = 8;int buz = 1;int rele = 0;

const int interval = 10*100; long lastReadTime = 0; LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2);

void setup() { Serial.begin(9600); lcd.begin(16, 2); pinMode(led_v,OUTPUT); pinMode(led_a,OUTPUT); pinMode(led_r,OUTPUT); pinMode(rele,OUTPUT); pinMode(buz,OUTPUT); digitalWrite(led_v,LOW); digitalWrite(led_a,LOW); digitalWrite(led_r,LOW); digitalWrite(rele,LOW); digitalWrite(buz,LOW); }void loop() { long currentTime = millis(); if (currentTime > lastReadTime + interval) {

// Lectura lectura = analogRead(sensorPin); lectura /= 4; Serial.write(lectura); lcd.setCursor(0,0); lcd.print("Lectura :"); lcd.print(lectura,DEC); lcd.print(" "); lcd.setCursor(0,1); if(lectura= 150){ digitalWrite(led_a,HIGH); lcd.setCursor(0,1); lcd.print(".:Advertencia:."); digitalWrite(buz,HIGH); } if(lectura >= 200){ digitalWrite(led_r,HIGH); lcd.setCursor(0,1); lcd.print("..::Peligro::.."); digitalWrite(rele,HIGH); digitalWrite(buz,HIGH); } lastReadTime = millis(); } delay(2000); }5. RESULTADOS

5.1. MODELO DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA

Asignacin de EntradasEl sistema solo tendr una entrada anloga que ser el sensor MQ-135. distribucin de procesos(hardware, software)EL objetivo para el cual se programa el arduino fue para tomar las lecturas del sensor en forma anloga esto quiere decir que las lecturas tendrn un valor entre 0 1024 ppm, para la comunicacin entre el arduino y la aplicacin es necesario pasas las lecturas a cdigo ASCII (0-255) por lo cual las lecturas antes de ser enviadas a travs del puerto serial se dividen entre cuatro.

salidas del sistemaEl sistema tiene configuradas cinco salidas digitales (0-5v) LED Verde : Se activa cuando las lecturas son normales con valores entre 0 y 150. LED Amarillo: Se activa cuando las lecturas son mayores a 150 y menores que 210. LED rojo: Se activa cuando las lecturas superan los 210 Zumbador: Se activa cuando las lecturas superan los 150. RELE: Se activa cuando las lecturas son mayores a 150.

6. DESARROLLO DEL SISTEMA

6.1. ANLISIS Y ESPECIFICACIN DE REQUISITOS

ACTORESIDNOMBREDESCRIPCIN

AC.1USUARIO SISTEMAEste usuario es el que puede manipular la que realiza el registro de los datos y adems visualizar las alertas y obtener los registros de los datos.

AC.2SISTEMAEl sistema es el que detecta las concentraciones de gases en el ambiente, dependiendo estas, muestra de manera visual y auditiva las alertas necesarias y en caso tal realiza la accin de encender un extractor de aire si es necesario. Adems genera el registro de los datos en una aplicacin.

CASOS DE USO SISTEMAIDNOMBREDESCRIPCION

CUS.1DetectarEl sistema permite detectar cuando el ambiente no se encuentra en condiciones optimas

CUS.2alertarEl sistema alerta de manera visual y auditiva cuando las condiciones del ambiente no son optimas.

CUS.3Realizar accionesEl sistema permite el encendido de extractores de aire como prevencin y mejoramiento del ambiente.

CUS.4Registrar datosEl sistema permite a travs de una aplicacin el registro de los datos obtenidos con el sensor en una base de datos

CUS.4.1Mostrar datosEl sistema muestra los datos obtenidos con la fecha, hora y nivel de estado del ambiente con variacin en colores azul, naranja y rojo con el fin de mostrar condiciones ptimas, de alerta y de peligro.

CASOS DE USOS USUARIO DEL SISTEMAIDNOMBREDESCRIPCION

CU.1Visualizar AlertasEl usuario del sistema podr visualizar las alertas que el sistema proporciona.

CU.2Visualizar DatosEl usuario del sistema podr visualizar los datos registrados en el sistema.

CU.2.1Obtener datosEl usuario del sistema podr obtener los datos registrados en el sistema a travs de un documento generado por el sistema.

6.2. DISEO DEL SISTEMA DE AUTOMATIZACION

DIAGRAMAS DE CASOS DE USO

DIAGRAMA DE BLOQUES

DIAGRAMA DE FLUJO

6. IMPACTO DEL SISTEMA DENTRO DE LA COMUNIDAD

Como es un producto de innovacin y automatizacin, permitir a la comunidad estudiantil que haga uso constante de los laboratorios estar seguros de que el ambiente utilizado se encuentra en optimas condiciones asegurando as su salud y su bienestar, adems este sistema permite obtener los registros de las lecturas se la variacin de las concentraciones de gases permitindonos hacer anlisis de las veces que se encuentra en estado de alerta o peligro y as incurrir en la toma de decisiones para saber en que momentos de peligro se ha encontrado el ambiente y determinar cules fueron las sustancias que permitieron esa reaccin

.

7. CONCLUSION

Al implementar este tipo de sistemas en lugares donde existe el riesgo de que la calidad del aire del ambiente deje de ser optima debido a la manipulacin de sustancias que pueden provocar daos en la salud de las personas vemos que podemos contribuir de manera significativa para que se tomen medidas en el mejoramiento del ambiente en estos lugares y puedan ser propicios para realizar sus actividades.