Medio Ambiente

Smart Campus IPN

Introducción

El compromiso con el medio ambiente es algo muy importante en el Centro de Investigación en Computación, por lo que tenemos investigaciones y proyectos que se enfocan en la búsqueda y análisis del estado actual del entorno así como posibles soluciones y líneas de acción que nos mantengan en armonía con el medio, todas ellas aprovechando el desarrollo tecnológico.
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Cambio Climático
Estación Meteorológica

Contamos con la instalación de una estación meteorológica que monitorea diversas condiciones, entre ellas la velocidad del viento, la temperatura ambiental y la irradiancia.

Calidad del Aire
Parámetros Ambientales

No basta con el monitoreo de las condiciones meteorológicas a modo general, para un estudio más enfocado, contamos con un sensor de parámetros ambientales en desarrollo además de otro instalado y funcionando a la par de la estación meteorológica.
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Funcionalidad
Se creó un dispositivo capaz de medir en tiempo real diversos parámetros ambientales y enviar los datos a través de wifi o radiofrecuencia para su lectura y análisis en una plataforma web para dar un panorama de la calidad del ambiente interior y exterior de entidades del IPN y del INBAL.
 
El dispositivo es modular y contiene diversos sensores que permiten la medición de parámetros tales como temperatura, humedad relativa, cantidad de luz, nivel de ruido, calidad del aire y cantidad de partículas PM2.5 y PM10.
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Características generales

 

  • Modularidad: está característica permite que el dispositivo pueda leer y probar la conectividad de cada sensor por separado. Esto hace a su vez, más fácil la lectura por parte del microcontrolador, y el hecho de que se encuentren por módulos, permite que en caso de que un sensor tenga alguna falla, no comprometa el funcionamiento de los demás sensores. Así con los módulos complementarios como lo son el display, el reloj en tiempo real y el almacenamiento.
  • Comunicación: La comunicación entre los diferentes sensores y el microcontrolador AtMega se realiza a través de diferentes protocolos como SPI, I2C, UART o directamente en los puertos análogos. El microcontrolador AtMega se comunica con el otro microcontrolador ESP8862 a través de I2C para el envío de datos por Wifi y este microcontrolador envía los datos al chip LoRa que, a su vez, envía los datos por radiofrecuencia través del protocolo LoRaWAN.
  • Alimentación eléctrica: La alimentación se obtiene de una fuente que convierte la energía eléctrica alterna de la línea monofásica de 120 (VAC) @ 1p-2h a directa de 5 (VDC) @ 5W que permite alimentar de forma eficiente los diferentes sensores, microcontroladores y módulos complementarios del dispositivo.
  • Almacenamiento: El dispositivo cuenta con un slot para insertar una MicroSD y poder almacenar los datos en los momentos en que el circuito no cuente con alguna conexión inalámbrica de intercambio de datos. Se conecta a través de SPI al microcontrolador AtMega.
    Módulos complementarios: Al dispositivo se le agregó un reloj en tiempo real para que, en caso de que se interrumpa el suministro de energía eléctrica, no se pierdan los datos de configuración de hora y fecha, que puede afectar el envío de datos cuando haya una reconexión de la red wifi o radiofrecuencia. Esto se logra a través de un circuito RTC con una batería de respaldo CR2032. Así mismo se implementó un display OLED de 0.96” con una resolución de 128x64 que muestra los datos de los diferentes sensores oprimiendo un botón. En el display se muestra cada una de las mediciones instantáneas de cada sensor y el estado del dispositivo, así como la hora y fecha, así como el estado del envío de datos por parte del chip LoRa.
  • Parámetros Ambientales: el dispositivo cuenta con diversos sensores que miden continuamente parámetros como temperatura, humedad relativa, nivel de ruido, calidad del aire, cantidad de partículas PM10 y PM2.5 y cantidad de luz ambiental.
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Implementación
Una parte muy importante del dispositivo es el envío de datos. Como se mencionó anteriormente, se utilizan 2 formas diferentes de enviar los datos que es a través de Wifi y de Lora. A continuación, se enumeran las características de los mismos.
 
  • Para la comunicación a través del protocolo LoRa se emplea un módulo RFM95w.
  • Para controlar el dispositivo se utiliza un microcontrolador ATmega328p el cual incluye su propia SRAM y contiene una interfaz de entrada/salida tipo GPIO.
  • Para programar el microcontrolador se utiliza la biblioteca Arduino AVR Boards versión 1.6.20; el código se implementó en lenguaje C/C++.
  • Para recibir los datos del microcontrolador AtMega328p y poder enviarla por WiFI, se utiliza el módulo ESP12E.
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Alcances Obtenidos
Creación de un dispositivo, basado en placas de microcontroladores, que mide en tiempo real diversos parámetros ambientales que, de acuerdo a su selección previa, se obtuvieron buenos resultados en pruebas comparativas y son adecuados para el propósito requerido.
 
De acuerdo al análisis de ventajas en términos de consumo, seguridad, escalabilidad y control de los protocolos de comunicación empleados, se llegó a la conclusión, que, para los requerimientos del dispositivo, estos protocolos eran adecuados y cumplían su función (LoRa, Wifi).
 
Implementación del código para los microcontroladores Tensilica L106 (ESP8266) y AtMega328p los cuales controlan los módulos Wifi y LoRa respectivamente. El código se implementó en C/C++.
 
El diseño de la placa del dispositivo se realizó con el estándar RS-274X y se generaron una serie de archivos para su posterior réplica. Dichos archivos en formato gerber (PCB) y el esquemático se encuentran disponibles para la creación de más dispositivos en caso de requerirse. 
 
Se realizó el análisis de las aplicaciones potenciales, en el contexto de la minería de datos, de la información recabada a través de los dispositivos. Y se diseñaron algoritmos que aseguran la integridad y encriptación de los datos.
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Dispositivos de consumo H2O

Como parte del enfoque en sustentabilidad, hemos desarrollado proyectos enfocados al ahorro de agua, dentro de éstas iniciativas contamos con un prototipo para determinar el consumo de agua en diferentes puntos de suministro, estos dispositivos se conectan a un sensor externo instalado en la tubería a monitorear. Tienen una fuente de energía para emergencias basada en baterías, en caso de un corte de energía eléctrica.

Diagrama de funcionamiento del sensor de flujo volumétrico

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Características
  • Presión máxima de flujo soportada 1.75 MPa.
  • Velocidad de flujo máxima 30 L/min.
  • Alimentación de emergencia por medio de tres baterías tipo AA.
Finalidad y Aplicaciones
El uso de sensores de flujo en cada salida de agua nos permite monitorear el gasto real de agua y en qué zonas se localiza dicho gasto.


Poder detectar y monitorear de manera exacta el gasto de agua nos permitirá implementar mejoras en el suministro así como en el aprovechamiento de nuestros recursos de una forma eficiente.