Desarrollo de prototipo de medición de contaminantes gaseosos a través de sensores de bajo costo basados en sistemas Arduino.

Abstract

El alto costo de equipos de medición de la calidad del aire que se encuentran aprobados o certificados por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (USEPA) o por las Directivas de la Comunidad Europea (EU), han hecho difícil lograr un monitoreo de la calidad del aire con amplia cobertura por parte de las distintas autoridades en el mundo. En el último tiempo han surgido diversos sensores que permiten realizar un monitoreo de la calidad del aire, los cuales pueden costar una fracción mínima del costo de los equipos de referencia certificados. En la actualidad, se han desarrollado diversos proyectos de monitoreo de calidad del aire en el mundo, tanto con dispositivos fijos como móviles. Como lo son el proyecto CURMOS (Correos Urban Mobile Sensors) en el ayuntamiento de Málaga, España, Life + Respira en el ayuntamiento de Pamplona, España y el proyecto Smairt en el ayuntamiento de Guadalajara, España. Los cuales han permitido evidenciar que la contaminación atmosférica no es homogénea y al mismo tiempo, han permitido determinar el grado de exposición de algunos grupos de personas como ciclistas, peatones, carteros, entre otros. El objetivo de este Seminario de Título es diseñar y construir un prototipo de equipo portátil de medición de gases de bajo costo, a través de una plataforma Arduino y sensores de óxidos metálicos semiconductores (sensores MOS) CJMCU-6814 y CJMCU-811 para medir CO, H2, CH4, C2H5OH, NH3, C3H8, C4H10, NO2, eCO2, TVOC y temperatura ambiental. Para esto, se realizó una búsqueda de bibliografía y de material audiovisual sobre distintos proyectos con placas Arduino disponibles para conocer el correcto funcionamiento sobre estas placas. Consecutivamente se procedió a probar el funcionamiento de cada uno de los componentes del prototipo para conocer el software y el circuito eléctrico necesario para su funcionamiento de manera individual, en donde se descubrió que para el funcionamiento de los sensores MOS se requieren de unos componentes externos denominadas resistencias pull up, en donde se requieren de 3 resistencias pull up para el sensor CJMCU-6814 de valores 1 MΩ, 330 KΩ y 20 KΩ (valores obtenidos a través de distintas pruebas) y de 2 resistencias pull up para el sensor CJMCU-811 ambas de un valor de 4,7 KΩ (valor obtenido de bibliografía). Posteriormente se procedió a compilar los softwares de los componentes en un solo software para el prototipo y montar el sistema completo de tal manera que todos los componentes puedan funcionar en simultáneo. Para comprobar que el prototipo se encuentra funcionando correctamente, se realizaron diversas pruebas en las cuales se buscaba un funcionamiento continuo del prototipo y que este reaccionara a distintas perturbaciones (perturbaciones de incienso, vela, papel incinerado y body spray), en donde se encontró que para el funcionamiento continuo el sistema demanda una batería cargada en su totalidad y que además esté conectada al suministro eléctrico, además las perturbaciones generaron distintas variaciones en las mediciones generadas por el prototipo, con lo cual es un indicador que el prototipo se encuentra operando. Finalmente se realizó una campaña de monitoreo de dos meses para analizar el funcionamiento del prototipo, en donde se encontró que el prototipo no presento ningún inconveniente durante campaña de medición, que el continuo funcionamiento del sensor por un tiempo prolongado genera una micro isla de calor alterando las mediciones de la emperatura ambiental, la baja concentración de los distintos contaminantes gaseosos presentes en un ambiente interior urbano resulta indetectables para el prototipo, y solo a través de algunas perturbaciones es posible apreciar señales para estos, debido al funcionamiento que presenta el prototipo para detectar los distintos gases, además se puede estar sobreestimando algunas mediciones que estén relacionadas con el sensor de reducción y de amoníaco, ya que los sensores no diferencian los gases que se miden en estos sensores. Con lo cual se concluye que se logró el desarrollo de un prototipo de equipo portátil de medición de gases de bajo costo, a través de una plataforma Arduino y sensores MOS, el cual puede ser utilizado en interior como en exterior en diversos ambientes urbanos, rurales como industriales, siendo en el ambiente industrial el más recomendado debido a la gran riqueza de información disponible de contaminantes gaseosos en estas zonas. Antes de ser implementado de manera apropiada el prototipo desarrollado debe ser validado en condiciones controladas de laboratorio con concentraciones estándar o a través de la comparación con equipos que se encuentran aprobados o certificados por la USEPA y/o la UE, como lo son los THERMO 42i para medir NO, NO2 y NOx, THERMO 48i para medir CO, entre otros.

The high cost of air quality measurement equipment that is approved or certified by the United States Environmental Protection Agency (USEPA) or by the Directives of the European Community (EU), have made it difficult to achieve a monitoring of the quality of the air with wide coverage on the part of the different authorities in the world. In recent times, various sensors have emerged that allow monitoring of air quality, which can cost a minimal fraction of the cost of reference certificate equipment. At present, various air quality monitoring projects have been developed in the world, both with fixed and mobile devices. As are the CURMOS project (Correos Urban Mobile Sensors) in the city of Malaga, Spain, Life + Respira in the city of Pamplona, Spain and the Smairt project in the city of Guadalajara, Spain. Which have made it possible to show that air pollution is not homogeneous and at the same time, have made it possible to determine the degree of exposure of some groups of people such as cyclists, pedestrians, postmen, among others. The objective of this Title Seminar is to design and build a prototype of low-cost portable gas measurement equipment, through an Arduino platform and semiconductor metal oxide sensors (MOS sensors) CJMCU-6814 and CJMCU-811 to measure CO, H2, CH4, C2H5OH, NH3, C3H8, C4H10, NO2, eCO2, TVOC and room temperature. For this, a bibliography and audiovisual material search was carried out on different projects with Arduino boards available to know the correct operation on these boards. Consecutively, the operation of each of the prototype components was tested to know the software and the electrical circuit necessary for its operation individually, where it was discovered that for the operation of the MOS sensors, external components called pull up resistors, where 3 pull up resistors are required for the CJMCU-6814 sensor with values of 1 MΩ, 330 KΩ and 20 KΩ (values obtained through different tests) and 2 pull up resistors for the CJMCU-811 sensor both have a value of 4,7 KΩ (value obtained from bibliography). Subsequently, the software for the components was compiled into a single software for the prototype and assembled the complete system in such a way that all the components could work simultaneously. To verify that the prototype is working correctly, various tests were carried out in which a continuous operation of the prototype was sought and that it would react to different disturbances (disturbances of incense, candle, incinerated paper and body spray), where it was found that For continuous operation, the system requires a fully charged battery that is also connected to the electrical supply, furthermore the disturbances generated different variations in the measurements generated by the prototype, which is an indicator that the prototype is operating. Finally, a two-month monitoring campaign was carried out to analyze the operation of the prototype, where it was found that the prototype did not present any inconvenience during the measurement campaign, that the continuous operation of the sensor for a long time generates a micro heat island altering In environmental temperature measurements, the low concentration of the different gaseous pollutants present in an urban interior environment is undetectable for the prototype, and only through some disturbances it is possible to appreciate signals for these, due to the operation that the prototype presents to detect the different gases, in addition, some measurements that are related to the reduction and ammonia sensor may be overestimated, since the sensors do not differentiate the gases that are measured in these sensors. With which it is concluded that the development of a prototype of low-cost portable gas measurement equipment was achieved, through an Arduino platform and MOS sensors, which can be used indoors and outdoors in various urban and rural environments. as industrial, being in the industrial environment the most recommended due to the great wealth of information available on gaseous pollutants in these areas. Before being properly implemented, the developed prototype must be validated in controlled laboratory conditions with standard concentrations or through comparison with equipment that is approved or certified by USEPA and / or the EU, such as the THERMO 42i for measure NO, NO2 and NOx, THERMO 48i to measure CO, among others.