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Design and construction of an IoT network for the efficient consumption of water in the home

Diseño y construcción de una red IoT para el eficiente consumo de agua en el hogar

Juan Sebastián Barrera V.1, Fabián Alexis Guzmán2, Guillermo Fernando Valencia P.3 1juan.barrera@uniagustiniana.edu.co, 2fabian.guzman@uniagustiniana.edu.co, 3guillermo.valenciap@uniagustiniana.edu.co

Universitaria Agustiniana Bogotá, Colombia

Artículo de Investigación

Abstract

This project is about a prototype that will be built in which it will be possible to visualize, monitor and control the consumption of water in a household through an IoT network. The mayor goal of this project is to determine if with this technology it is possible to make a better use of the consumption of water, which might contribute to the solution for the problems currently facing the future water shortage in the country. The internet has generated various opportunities, especially in the last years, it has been able to be connected from any place at any moment. As a result, a new technology has been formed on which this project "Internet of Things" is based. By using some electronic devices such as sensors, microcontrollers and a smart device, it will be possible to obtain data in real time on any variable that you want to measure and control. The project was carried out with a study in which a card or module is able to receive information from a flow sensor, process it and transmit it by WiFi to a database hosted in a server. Afterwards, a user can consult a web application, which has a friendly and professional graphic environment to work with and allows the user to use the information in order to determine the changes that are necessary to make a better use of the water resource and contribute to the environment.

Keywords: Internet of things, water scarcity in the country, ICT.

Resumen En este proyecto, se construirá un prototipo en el cual se podrá visualizar, monitorear y controlar el consumo de agua en una vivienda a través de una red IoT, con el fin de determinar si con esta tecnología es posible hacer un mejor uso del consumo de agua y ayudar un poco con la problemática que se enfrenta actualmente sobre la futura escasez de agua en el país. Teniendo en cuenta las posibilidades que ha generado Internet y su gran ventaja en estos últimos años de poder estar conectados desde cualquier lugar y momento, surge una nueva tecnología que ha tomado fuerza y en la cual está basada este proyecto “Internet de las Cosas”, donde empleando algunos dispositivos electrónicos como sensores, micro controladores y un dispositivo inteligente, se podrá obtener valores en tiempo real sobre alguna variable que se quiera medir y controlar .El desarrollo del proyecto se realizó con un estudio sobre que tarjeta o módulo es capaz de recibir la información de un sensor de caudal, procesarla y pueda transmitirla por Wifi a una base de datos alojada en un servidor, para que un usuario pueda consultarlos por medio de una aplicación web, la cual contara con un entorno grafico amigable y profesional. Donde se trabaja con esta información y se hace un uso adecuado de los recursos hídricos para contribuir a cambios determinantes del medio ambiente.

Palabras clave: Internet de las cosas, futura escasez de agua en el país, TIC.

© 2017. IAI All rights reserved

Actas de Ingeniería Volumen 3, pp. 72-80, 2017

http://fundacioniai.org/actas

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1. Introducción

La presente investigación se desarrolló con el objetivo de diseñar un sistema que administre y gestione una red de internet de las cosas, por lo tanto, satisface la necesidad de poder controlar los elementos físicos, recibir notificaciones y ser informado del entorno que rodea a las personas. En la actualidad existen diferentes problemáticas, que se pueden abordar desde la conexión de cosas a internet, precisamente este proyecto plantea un enfoque ecológico, el cual es hacer un uso adecuado de los recursos naturales mediante la aplicación de nuevas tecnologías.

Existen diversas aplicaciones que contribuyen a mejorar la calidad de vida desde el internet de las cosas, el realizar estas investigaciones dan soluciones a nuevos retos del mercado y a como se están abordando los temas fundamentales de la existencia propia del ser humano, del como con una tecnología logra concientizar en como el uso indebido de recursos naturales como el agua afectan el desarrollo como sociedad. La investigación también aporta conocimientos a estudiantes que quieren incursionar en nuevas áreas del saber.

Desde luego esta investigación tiene un enfoque en cómo desarrollar y diseñar una red de internet de las cosas, el método de estudio se divide en III capítulos, que son de tipo secuencial. En el primer capítulo abordamos el tema en contexto de como el IoT contribuye a una solución, como se emplea en el hogar y qué tipo de componentes hacen parte del proyecto. Para el segundo

capítulo se direcciona a la planeación de los aspectos del cómo, cuándo y en donde se realiza el proyecto, y la ejecución de cuáles fueron los dispositivos usados para el desarrollo e instalación de la red IoT y por último el capítulo tercero se enfoca en la recolección y comparación de datos registrados por un determinado tiempo para su posterior análisis y elaboración de reporte de resultados. 2. Metodología

En este proyecto se trabajó con una metodología de enfoque cuantitativo, la cual la indica el autor Sampieri en su libro [26]. El hace énfasis en una investigación que mide variables, utiliza estadísticas y hace análisis de causa y efecto. El investigador plantea un problema para llevar a cabo un proceso secuencial, deductivo, probatorio y de análisis con el fin de llegar a un resultado.

El enfoque cuantitativo es de carácter secuencial y probatorio, cada etapa es predecesora de la otra y no podemos eludir ningún paso, es una metodología de orden riguroso (Tabla 1). “Parte de una idea, que va acotándose y, una vez delimitada, se derivan objetivos y preguntas de investigación, se revisa la literatura y se construye un marco o una perspectiva teórica” [26] también se basa en recolección de datos y medición numérica. La metodología se puede aplicar con el objetivo de examinar la recolección de datos que son de tipo numérico y resuelven el planteamiento del problema.

Tabla 1. Fases de la Investigación [26]

Fase Actividades

Planteamiento del problema Establece hipótesis y determina variables General y especifico Delimitado y concreto

Marco teórico Justificación del proyecto Necesidad de estudio

Desarrollo de investigación Secuencial Deductivo Objetivo

Recolección de datos Análisis de datos Variables

Análisis de datos Graficas Métodos estadísticos

Elaboración de reporte de resultados Explicativo Predictivo

Fase 1: Idea. Construir con base en antecedentes y con el objetivo de obtener un resultado.

Fase 2: Planteamiento del problema. Se considera una problemática de cualquier tipo y se delimita lo que se quiere lograr.

Fase 3: Revisión de la literatura y desarrollo de marco teórico. Se busca información de la evolución de la idea, y de todos los factores y tecnologías con las cuales está construida.

Fase 4: Desarrollo del diseño de investigación. Cómo se realizará la investigación, se debe contemplar dónde, cuándo y qué se quiere obtener al final del proceso.

Fase 5: Recolección de datos. Para que la investigación tenga valides se deben tomar datos que se puedan comparar con datos predecesores.

Fase 6: Análisis de datos. En este punto se debe comparar los resultados obtenidos con los

esperados, pueden ser o no los esperados, lo importante es sacar conclusiones y determinar si es viable o no seguir con la investigación.

Fase 7: Elaboración de reporte de resultados. Ser concreto y autocritico al momento ya que cualquier persona debe ser capaz de entenderlos y sacar sus propias conclusiones.

2.1 Idea

Esta nace de la oportunidad de integrar las nuevas tecnologías que brindan las telecomunicaciones para solucionar necesidades cotidianas, en este caso se quiere ayudar con un problema ambiental actual y es la escasez de agua potable. Esta idea viene precedida de varios antecedentes y con los cuales se construyó esta misma, algunos de los más importantes y a los cuales se le quiere dar relevancia para entender el proyecto que se hizo son los siguientes:

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Las Telecomunicaciones como solución a necesidades cotidianas. Actualmente el trabajo que ejerce el sector de las telecomunicaciones tiene un gran impacto en la sociedad, por su crecimiento exponencial y la posibilidad que brindan en la solución de necesidades que el hombre genera diariamente. El mercado de las nuevas tecnologías nos inunda diariamente con productos nuevos, algunos buenos, otros no tanto, pero lo importante es el crecimiento que ha tenido en los últimos años.

Las telecomunicaciones se encuentran en cada uno de los momentos que vive la humanidad actualmente y en esta época estar conectados a internet es uno de los aspectos primordiales en el día a día. Las nuevas tendencias tecnológicas generan el impulso de adoptarlas y cambiar aspectos cotidianos con el fin de mejorar la calidad de vida; pagar servicios desde una laptop, trabajar desde una tablet, hacer mercado desde un Smartphone, son muestras de algunas cosas que no se podían hacer una década atrás.

Esta evolución crea una tendencia en las personas a resolver la mayoría de sus necesidades desde Internet por medio de algún dispositivo inteligente, debido a esto las Telecomunicaciones también han tenido que adaptarse y desarrollar soluciones a estas. Una nueva tecnología que ha ocasionado una gran expectativa en estos últimos años, estar conectados a cualquier dispositivo físico el cual pueda medir una variable, poderla monitorear y controlar desde otro punto, ha marcado un Hito dentro en el ámbito de las Telecomunicaciones en la últimas dos décadas. El internet de las cosas entra en el mercado de las nuevas tecnologías con gran fuerza y para quedarse. El presidente de Samsung Colombia afirma que “Esto es posible por dispositivos que entienden las necesidades del consumidor y proporcionan beneficios y servicios que están optimizados para satisfacer las necesidades y expectativas de los usuarios individuales”. Un mundo donde los dispositivos conectados a internet logran mejorar su salud, ahorrar tiempo y dinero e impulsar su bienestar, tienen que ser un punto importante de referencia a donde las Telecomunicaciones tienen que apuntar e invertir tiempo y dinero en investigación y desarrollo en el mercado.

IoT en el hogar. Ya está en los hogares, dispositivos como termostatos inteligentes que aprenden diariamente la temperatura que el usuario determine dependiendo de la hora y después ellos mismos puedan auto programarse, altavoces capaces de conectarse a otros dispositivos wifi y responder a comandos de voz, neveras que notifican a un usuario cuando hace falta algún alimento dentro de este, apertura de garajes y seguridad en el hogar por medio de un Smartphone [1]. Son muchos de los productos que salen diariamente al mercado por empresas grandes como Samsung, Cisco, Google. Samsung Colombia explica que el IOT trae valor a la vida de los consumidores, logrando que los objetos cotidianos más sencillos como lo es una tostadora se transformen en dispositivos inteligentes conectados a internet “el impacto de IoT en los hogares a través de automatizar las labores cotidianas. Harán que se

ahorraren unas 100 horas de trabajo por año en una casa típica” [22].

Como por medio de una red IoT monitorear el agua en un hogar. El internet de las cosas tiene múltiples aplicaciones, para este proyecto su enfoque se direcciona al monitoreo y control agua en un hogar [3], implementando sensores se obtienen datos reales de una variable a medir, en este caso es caudal en (litros por minuto) y se envían a un servidor para su posterior tratamiento. La red IoT, proporciona estos datos en forma de gráficas, ilustraciones o animaciones, que sean de fácil interpretación para cualquier usuario, estas pueden ser acumulativas o datos en tiempo real que servirán como guía para determinar predicciones sobre el consumo de agua que se está generando y si existe la necesidad de hacer algún tipo de control sobre esta.

Actualmente la SENSUS ha implementado IoT en uno de sus nuevos proyectos relacionados con medición de agua en hogares, pero a nivel empresarial, están implementando sensores dentro del medidor de agua que envíen datos del consumo en tiempo real a sus servidores para generar la facturación correspondiente al tiempo que se quiera medir. Este proyecto ha surgido con la necesidad de eliminar la tediosa labor que ejercen muchos de sus empleados de ir recolectando muestras sobre el consumo en todos los hogares de forma manual. La implementación de este proyecto les ha generado una reducción en costos de personal, transporte para sus empleados, y una mejor medición de cada uno de los hogares donde ellos realizan su facturación.

IoT puede hacer más que eso en proyectos que vinculen la medición agua en los hogares, si un usuario es capaz de ver esta misma información que recolectan los servidores de SENSUS en tiempo real desde su lugar de trabajo o desde el mismo hogar por medio de un computador, un Smartphone o una Tablet, y poderlas visualizar por medio de una plataforma de fácil comprensión será capaz de determinar las horas criticas de su consumo y así determinar cómo puede hacer un mejor uso de estas en beneficio propio.

Componentes de una Red IoT. Estos son los componentes básicos de los cuales está conformado una red IoT (Figura 1) y son los mismos con los que se trabajó para lograr el objetivo propuesto cuando se planteó la idea principal del proyecto.

Figura 1. Estructura General de una red IoT

2.2 Planteamiento del problema

El 97,5% del agua del planeta no es apta para el consumo humano, para la agricultura, o para trabajo

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industrial en general, del 2,5% restante un 79% está en los casquetes polares, embalses subterráneos o de difícil acceso por el nivel de profundidad en el sé que encuentra, ya que en ocasiones está a más de 3.000 mts bajo el nivel del mar. Queda por tanto un 0,26% del volumen total de agua en el mundo que es fácilmente aprovechable para el uso humano, la que está en embalses, lagos, ríos y pozos accesibles.

Colombia a pesar de ser el sexto país con más oferta hídrica en el mundo y “de acuerdo con los escenarios de cambio climático que ha construido el Ideam, se considera que hacia 2050 el 60% de los páramos en Colombia habrán desaparecido” [9] y esto se debe a varios factores, el sector agrícola consume el 65% de agua potable que existe en el país, la industria colombiana se lleva un 25% y el ultimo 10% es para consumo en sitios urbanos y municipales.

Los Datos a nivel Distrital no son más alentadores “El metabolismo hídrico de la capital es insostenible y si no hacemos nada dentro de unos diez años Bogotá no tendrá como abastecer de agua potable a más de diez millones de personas que habitan la capital y municipios aledaños” [19]. Muchas regiones del país se encuentran en una época de sequía y mientras esto sucede en Bogotá se desperdician 1’800.000 metros cúbicos de agua al año y las consecuencias que se han generado por esta problemática abarcan desde razonamientos de agua a nivel regional a multas económicas a empresas y viviendas que desperdicien agua. 2.3 Marco teórico

Internet de las cosas termino que fue escuchado por

primera vez hacia la época de 1999 gracias al británico Kevin Ashton en una conferencia en Procter & Gamble. Ashton cofundador de Auto-ID instituto de tecnología de Massachusetts (MIT), conocidos por inventar un estándar global para los sensores y la RFID (Identificador por Radio-Frecuencia) esta tecnología se utiliza para identificar un elemento, seguir su ruta, movimiento y poder calcular distancias gracias a una etiqueta que emite ondas de radio, parte de esta tecnología da inicio al internet de las cosas.

En 2005 la agencia de las Naciones Unidas International Telecommunications Union (ITU) publica el primer estudio sobre el tema. “Una nueva dimensión se ha agregado al mundo de las tecnologías de información y la comunicación (TIC): a cualquier hora, en cualquier lugar, ahora vamos a tener conectividad para cualquier cosa. Las conexiones se multiplican y crearán una nueva red dinámica de redes con redes, una Internet de las Cosas”. A partir de ese momento Internet de las Cosas adquiere otro nivel. En este mismo año nace Arduino gracias un grupo de estudiantes del instituto IVRARE quienes en un principio crearon la idea basada en la necesidad de aprendizaje para estudiantes en computación basado en software libre, y quien en la actualidad es un promotor gigante de IoT.

En 2006 la empresa Violet crea el Nabaztag, que significa liebre en armenio, Se trata de una especie de juguete en forma de conejo que es capaz de conectarse a internet por Wifi y su función es difundir información a

su dueño tal como estado meteorológico, la calidad de aire, alertas de tráfico, la recepción de correos electrónicos e información de la bolsa. Un dispositivo que genero muchas ideas acerca de estar conectados a diferentes objetos físicos por medio de internet. En 2008 varias empresas trabajan en conjunto para formar la IPSO Alliance, su objetivo es promover el uso del protocolo de Internet en redes de objetos inteligentes y hacer posible el internet de las cosas. En la Actualidad la IPSO Alliance está conformada por 59 empresas a nivel mundial, entre ellas y las más conocidas tenemos a Bosch, Cisco, Ericsson, Fujitsu, Google, Motorola y Toshiba.

En 2010 el primer ministro chino Wen Jiabao dijo que IOT sería la clave para el futuro de la industria China y se iba a convertir en una de las más grandes entradas económicas de este país en las siguientes décadas y por esto continúa invirtiendo e impulsando el desarrollo y la investigación en IoT con instituciones como la Chinese Academy of Sciences o el Shanghai Institute.

En la Actualidad la Agencia de Regulación y Control de Telecomunicaciones ARCOTEL [2] calcula que los dispositivos IoT se encuentran instalados 40.2% en Negocios de Industria, un 30.3% en el sector de salud, 8.3% en comercio, 7.7% en seguridad y 4.1%, y según IBGS de Cisco (Figura 2) estos dispositivos crecen exponencialmente, predicen que 50.000 millones de dispositivos estarán conectados a internet en el año 2020, comparado con la población mundial estimada a este año habrá más de 6 dispositivos conectados a internet por cada persona.

Figura 2. Comparación de dispositivos conectados a internet

por personas [7]

2.4 Desarrollo de la investigación

Se planea montar un dispositivo de red IoT en un hogar y realizar el monitoreo de esta durante el periodo pertinente a dos meses, esto con el fin de comparar los datos reflejados en la factura de acueducto con los que brinda la base de datos de IoT, y después comparar esta información con la facturación del mes anterior y obtener unos resultados. Para el montaje de este dispositivo se debe tener en cuenta que el sensor que medirá caudal debe estar conectado al punto principal de suministro de agua en una vivienda, en la mayoría de hogares se encuentra después del medidor de agua brindado por la empresa de acueducto.

Esto genero el primer problema en el desarrollo del proyecto, ya que es complicado convencer un hogar en cambiar la estructura de tuberías principales para instalar el dispositivo y realizar las pruebas que se necesitan para el desarrollo de este proyecto al no ser un producto oficial. Se generó una duda, y es que tan viable

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era el proyecto al momento de su implementación oficial dentro de un hogar, así que se generó una encuesta sobre si el producto fuera oficial, ¿Instalara usted un dispositivo IoT capaz de monitorear y notificar el consumo de agua en su hogar? Los resultados se muestran en la Figura 3.

Figura 3. Resultados de la encuesta a 100 personas

Al saber que sí era viable realizar la instalación del dispositivo para la investigación, el paso a seguir era hallar un sitio para montar el sistema y fue ahí donde se encontró una bodega al sur de la ciudad de Bogotá, ubicada en la Figura 4 (Dg 54 sur # 87 D 16). Las características de esta bodega son perfectas para realizar este estudio, ya que tiene un único punto de salida de agua y es de fácil acceso para la instalación del dispositivo. La bodega es una empresa que fabrica Stands, locales comerciales y decoración para centros comerciales. Esta empresa accedió a instalar el dispositivo y hacer las pruebas pertinentes en el periodo de facturación de (febrero y marzo de 2017) para su comparación con el periodo de facturación de (diciembre de 2016 y enero de 2017).

Figura 4. Ubicación geográfica de pruebas del proyecto

El siguiente paso es considerar los materiales

necesarios para la obtención de datos de la variable que queremos medir, uno de los puntos claves dentro de esta lista es encontrar un microcontrolador capaz de enviar datos por Wifi y poderse conectar a una base de datos alojada en un servidor. De los componentes actuales en el mercado que cumplan con las características de una red IoT Arduino es una de las mejores opciones por su lenguaje de programación libre, fácil acceso al mercado.

El problema de los antiguos Arduino es su falta de conexión inalámbrica, que rápidamente fue solucionada con una placa (ESP 8266) que tiene integrada una antena Wifi trabajando bajo el estándar 802.11/b y trabajando a una frecuencia de 2.4 GHz hacen de esta placa una solución a esta falencia que tienen las placas de Arduino.

En un comienzo los proyectos que implementaban un Arduino y quería trasmitir datos por medio de Wifi usaba la combinación de estas dos placas, tiempo después se descubrió que la placa ESP 8266 tiene un procesador interno que corre a 80Mhz y en algunos casos a 160Mhz, lo tedioso de cuando intentaron trabajar con esta placa, no como simple conector a internet sino como microcontrolador, fue que la placa solo se podía programar con comandos AT, tiempo después se descubre que hay un grupo de trabajo encabezado por Ivan Grokhotkov el cual está desarrollando un proyecto para programar esta placa desde el ide de Arduino y que se encontrara más adelante del documento. La labor ahora teniendo un lugar y un microcontrolador especial para una red IoT es realizar pruebas de consumo dentro de esta bodega y poderlas comparar con periodos de consumos anteriores cuando no estaba instalado el sistema IoT.

Para esto la mejor opción es usar un sensor de caudal de ½ pulgada que es el calibre estándar de todas las tuberías internas de agua en las viviendas, instalarla a el punto principal de tubería de la bodega y mediante un servidor en la nube y una base de datos, tomar las mediciones diarias durante dos meses correspondientes a un periodo de facturación, y a medida que pase este periodo informar a la empresa el consumo semanal para hacer una predicción de cuanto seria su consumo total a término de facturación si se sigue con el ritmo consumo diario que está ejerciendo para su pertinente control.

Como se especificó se trabajará con el módulo esp8266 NodeMCU (Figura 5), por su bajo costo y alto rendimiento, pero con el ide de Arduino. Esta familia de módulos de esp8266, trabaja por defecto con comandos AT, que son instrucciones de comunicación codificadas entre el hombre y la terminal, en este caso el módulo esp8266 gracias al desarrollo del joven ruso Ivan Grokhotkov, logró usar el Id de Arduino y montarlo en esta placa para su fácil programación. El proyecto del joven ruso se basa en desarrollar un entorno basado el en Id de Arduino en software que va permitir correr un Firmware y programar esta placa como si fuera un Arduino, permitiendo usar funciones y bibliotecas del mismo, entre sus funciones puede comunicarse por medio de wifi usando los protocolos TCP y UDP [21].

Figura 5. Conexión nodeMCU y Sensor

Otro factor importante en la realización de este

proyecto es la calibración del sensor a usar, ya que este permitirá tomar lecturas verídicas del consumo de agua para realizar las pruebas. El sensor de flujo de agua, es el dispositivo electrónico que en el proyecto convierte el flujo de agua en una variable medible, cuando el flujo de agua pasa por el sensor gira unas paletas internas que activan el campo magnético del imán situado al interior del dispositivo donde se produce el conocido efecto hall.

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El sensor de flujo tiene como función enviar estos pulsos a cualquier placa o modulo que los pueda interpretar. En este caso se trabajará con el HZ21WA el cual dispone de 3 cables, dos para su alimentación a 5v Dc y uno más que enviara los pulsos, en este caso por el cable amarillo (Figura 5). Para realizar las pruebas se construyó un prototipo de prueba donde pudiéramos controlar el agua que pasa por el sensor a diferentes presiones y poder hacer la calibración de este para tener datos verídicos al momento de realizar la prueba en la bodega donde se instalaría la red IoT, como se observa en la Figura 6. Este sensor de flujo de diámetro de ½ pulgada, puede soportar un caudal en un rango de 1-30 (L/min); este valor no se puede fijar, puede variar según la presión, la densidad y hasta e diseño de la tubería. Para este sensor de ½ el fabricante propone un factor de conversión de 7.5 que viene de la ecuación, F(Hz)=7,5*Q (L/min). Donde F(Hz) es la frecuencia que emiten los pulsos, Q es igual al caudal en litros/min y el 7.5 es el factor de conversión permitirá la calibración del mismo.

Figura 6. Instalación de prototipo

También es necesario realizar pruebas para

determinar el factor de conversión real para el proyecto que se esté realizando la función es establecer el cambio de pulsos de frecuencia a caudal en litros x minuto. Para la medición se corre un pequeño programa (Figura 7) sobre el Id de Arduino que cuenta la cantidad de pulsos dados al pasar cierta cantidad de agua en un minuto.

Figura 7. Programa contador de pulsos

Además, se plantea la ecuación (1), donde X es el factor de conversión, N° pulsos es la cantidad de pulsos

medidos por el programa de Arduino de cuerdo a un determinado volumen de agua.

𝑋 = 𝑁° 𝑝𝑢𝑙𝑠𝑜𝑠

𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛∗60 𝑠𝑒𝑔 (1)

El programa ejecutado por Arduino sólo muestra la cantidad de pulsos que emite cierta cantidad de agua, y es necesaria la ecuación (1) para determinar el factor de conversión que está emitiendo el sensor, para poner un ejemplo, se supone como ejercicio que el programa muestre 437 pulsos al pasar por él en 1 minuto:

𝑋 =437 𝑝𝑢𝑙𝑠𝑜𝑠

1 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑜 ∗ 60 𝑠𝑒𝑔 𝑋 = 7,28

Así se obtiene la variable X con el muestreo de 1 sola prueba, para que esto tenga valides, es necesario generar varios muestreos y calcular el promedio de estos para tener un factor de conversión más exacto. Este promedio es el nuevo factor de conversión de pulsos de frecuencia a caudal de agua. Se toman 25 pruebas con diferentes valores de litros para hacerlo más exacto, cuyos resultados se observan en la Tabla 2.

Tabla 2. Muestreo para calibración del sensor

Muestras Litros Pulsos Factor (X) 1 1 557 9.28 2 1 553 9.21 3 2 1120 9.33 4 2 1127 9.39 5 3 1678 9.32 6 3 1656 9.21 7 4 2247 9.36 8 5 2784 9.28 9 5 2796 9.32

10 6 3320 9.22 11 6 3338 9.27 12 7 3940 9.38 13 7 3898 9.28 14 8 4445 9.26 15 8 4467 9.31 16 9 5022 9.3 17 9 5039 9.33 18 10 5526 9.21 19 10 5568 9.28 20 11 6105 9.25 21 11 6171 9.35 22 12 6761 9.39 23 13 7270 9.32 24 14 7870 9.37 25 15 8442 9.38

Promedio 9.304

Para calcular el caudal se tiene la ecuación (2) [4], donde Q es igual a caudal, V es volumen y T es tiempo.

𝑄 =𝑉

𝑇 (2)

Teniendo medición de caudal, se puede calcular el volumen de agua o consumo de agua, durante determinado tiempo, puesto que el caudal es la variación del volumen con respecto al tiempo para así determinar la cantidad de volumen que va transcurrir durante el periodo de facturación. Para que estos registros tengan valides se van alojar en una base de datos y un servidor en la nube, así que se contrató un hosting el cual incluye un servidor apache para poder ejecutar archivos HTLM y poder visualizar la aplicación que se creó, un servidor de base de datos el cual usa de plataforma de PhpMyAdmin y cuenta con un servidor de correo electrónico perfecta para generar las alertas de consumo de agua a un correo donde el usuario quiera que le llegue la información y donde esté al tanto del consumo que está generando.

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Ioticos.com presta este servicio donde se encuentra servicios free y con costo mensual, para el caso de aplicación de este proyecto de investigación se contrató un hosting Free el cual es perfecto para este estudio

porque cuenta con los 3 servicios necesarios para montar una red IoT y sin ningún costo. Este servicio genera un dominio para la visualización de la aplicación web (Figura 8).

Figura 8. Diseño web: http://aquameter-com.alpha.ioticos.com/

Aquameter-com es el nombre de dominio escogido para representar el prototipo funcional de la red IoT para este proyecto de investigación, dentro del nombre de este por detrás está el dominio de Ioticos porque no se compró un dominio, pero dentro de los servicios del hosting se genera un dominio secundario para acceder a la aplicación el cual se combina con la del contratante y tenemos el dominio para acceder a la aplicación web. El diseño de la página web de la aplicación del Aquameter es una plantilla modificada que se pueden descargar desde: https://colorlib.com/wp/free-bootstrap-admin-dashboard-templates/.

Estas plantillas generan un archivo HTML de fácil comprensión donde solamente hay que modificar cosas como nombre del proyecto, eliminar cuadros que no sean necesarios y en la parte de las gráficas insertar mediante PHP las variables con las que se trabaje en la base de datos para que sean graficados, en este caso caudal y volumen. Esto permitirá al usuario una fácil comprensión de los datos para poder determinar si necesita ejercer algún cambio o control para hacer un mejor consumo de agua en esta bodega. Anteriormente la calibración del sensor de flujo de agua y la unión con el modulo, permitieron la correcta medición de caudal y volumen. El siguiente proceso es enviar los datos desde el modulo hasta el servidor y posteriormente almacenarlos en la base de datos.

El módulo esp8266 Node MCU, contiene unas características especiales que permiten hacer transmisión de datos por vía wifi, es decir que las variables contenidas son preparadas y enviadas al servidor por medio de una solicitud de tipo POST, las variables que se envían se les asigna una ruta específica, creando un archivo de tipo. PHP. ¿Por qué Post y no Get? La respuesta es muy sencilla, “la diferencia entre los métodos get y post radica en la forma de enviar los datos a la página cuando se pulsa el botón (Enviar). Mientras que el método GET envía los datos usando la URL, el método POST los envía de forma que no podemos verlos (en un segundo plano u "ocultos" al usuario)” [20]. Así que para este proyecto lo haremos con un Post.

El archivo PHP recibe las variables de caudal y volumen por medio del método POST, y en las siguientes líneas de código se ejecuta una sentencia SQL, que

permite alojar estas variables en la tabla creada para este proyecto llamada “datos”, es decir que los datos mencionados anteriormente se crean como nuevos registros en la tabla datos de la herramienta de administración PhpMyAdmin (Figura 9). Esta herramienta administra y controla bases de datos MySQL, se ejecuta con un lenguaje de programación de PHP, está diseñado para hacer la mayoría de funciones que componen una base de datos, para el proyecto se obtienen unos datos, pero en la estructura de la tabla se definen cada columna con atributos diferentes para tener características como la fecha y el número de dato ingresado al sistema.

Figura 9. Base de Datos proyecto

Ya teniendo recolectada la información de la variable

Caudal, el siguiente paso fue comparar esta información con la brindada por la factura del acueducto para verificar que el consumo que se ve en la aplicación creada sea igual. Todo esto tiene un fin y es dentro de la aplicación aprovechar el servicio del servidor de correo electrónico y generar alertas por este medio de un valor de umbral el cual será diario que no se quiera superar para controlar el consumo y hacer un mejor uso del consumo determinando que días son críticos y que actividades son las que generan un consumo alto durante estos días críticos.

Ahora para que las alertas funcionen se debe generar una columna más dentro de la base de datos donde se ingresará el umbral que el usuario desee que no se supere y, mediante PHP y consultas, se comparara cada dato que ingrese a la base de datos, con el del umbral que el usuario dispuso para generar sus alertas. Cuando este valor supere el umbral mediante el servidor de correo electrónico se generará un correo de alerta a la dirección que el usuario desee y sin necesidad de acceder a la

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aplicación web llegue la alerta sobre el consumo y el sistema sea autónomo para el usuario.

2.5 Recolección de Datos

Para la recolección de datos se instaló el dispositivo en la tubería principal de la bodega. Como se observa en la Figura 10.

Figura 10. Instalación del prototipo en la bodega

Los datos recolectados en el periodo de facturación de enero 8 a marzo 9 de 2017 se muestran en la Figura 11.

Figura 11. Elaboración propia con datos de servidor

Todos estos datos fueron tomados de la aplicación y

comparados con la factura de acueducto (Figura 12), donde al final del periodo donde se registró un consumo de 3 metros cúbicos.

Figura 12. Facturación del consumo en la bodega

El consumo que muestra la factura de acueducto es un

valor global, no se especifica el consumo con números exactos de litros, pero lo especifica en metros cúbicos. Al comparar este registro con lo que brindó la aplicación web que trabajo durante este periodo de facturación instalado en la bodega (Figura 13) se determinó que los datos son reales ya que la aplicación mostro un consumo de 3078.55 litros equivalentes a 3 metros cúbicos que es lo que muestra la factura, no se puede determinar si con muy exactos ya que la factura muestra 3 metros cúbicos que equivale a 3000 litros.

Figura 13. Resultado del censado en el periodo de facturación

sobre la aplicación web

2.6 Análisis de datos

El usuario en el periodo de facturación anterior tuvo un consumo de 4 metros cúbicos por lo que se propuso una meta diaria dentro de la aplicación Web, para ahorrar 1 metro cubico en este periodo de facturación donde estaba instalado el dispositivo. Mediante la aplicación y las alertas por correo electrónico pudo determinar que se excedía el consumo diario permitido cuando se lavaban los carros de carga (2 camiones y una camioneta) dentro de la bodega, así que consideraron no lavar los carros dentro y sólo tener el consumo que generaba la bodega diariamente por los trabajadores y consumo normal diario. Esto permitió que al final del periodo de facturación se ahorrara 1 metro cúbico y se cumpliera con el objetivo del proyecto (Figura 14).

Figura 14. Comparación de volumen tomado de las facturas

2.7 Reporte de Resultados

Se pudo comparar el consumo de agua y precio en los

periodos de facturación cuando estaba instalado y cuando no estaba el prototipo IoT para la investigación, y los resultados se muestran en la Figura 15. En la Figura 16 se aprecia el ahorro en dinero.

Figura 15. Comparación de los datos de facturación

Figura 16. Datos de facturación en COP

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3. Conclusiones

Se observa que la evolución que ha tenido el internet de las cosas será un factor muy importante en la siguiente década y es un punto de referencia al cual empresas, futuros empresarios, universidades y estudiantes deben apuntar, ya que se considera que “hacia el 2025 el mercado de IoT generara a nivel global ganancias por más de 6.2 trillones de dólares” [2]. Se puede evidenciar que es posible por medio de una red IoT, hacer el monitoreo del consumo de agua en una vivienda y dar la posibilidad a quien implemente este dispositivo IoT de visualizar su consumo en tiempo real, y mejorar la optimización de los recursos naturales.

Se encuentra que la implementación de nuevas tecnologías a la medición de variables del mundo real, facilitan el control apropiado y rápido de cualquier elemento que tiempo atrás, no fue posible capturar, como datos en tiempo real para la evaluación. Se evidencia que el hardware, típicamente los microcontroladores y software, típicamente programas de desarrollo para la integración y visualización de datos. Son herramientas que trabajan en conjunto para un fin en común que es brindar una solución tecnológica.

También se evidencia que mediante esta red IoT es posible generar un ahorro de agua y si se tiene en cuenta las viviendas que existen en la ciudad y el volumen que se puede ahorrar es una cifra de agua considerable que es a fin de cuentas a lo que apunta el proyecto y es ayudar con la problemática actual sobre este tema.

La implementación de este prototipo en la bodega para el control y monitoreo de agua en tiempo real, proporciona al usuario un control real de los litros de agua que consume en un periodo de tiempo, dando un eficiente uso de sus servicios públicos. Se evidencia que el dispositivo IoT contribuye al crecimiento satisfactorio en recolección y visualización de datos, dando como valor agregado un desarrollo en las áreas de la ingeniería aplicada que contribuyen al fortalecimiento de sociedad.

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