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PROTOTIPO DE MEDICIÓN DE EMISIONES DE GAS CARBÓNICO EN UN
VEHÍCULO AÉREO NO TRIPULADO (UAV) PARA LOS ALREDEDORES DE
RELLENOS SANITARIOS
“MEASUREMENT PROTOTYPE OF CARBON GAS EMISSIONS IN A NON-
TRIPULATED AIR VEHICLE (UAV) FOR THE SURROUNDINGS OF
SANITARY FILLETS”
Yepes Suárez Jenny Lorena1, Acero Gutiérrez Yeimi Janeth2, Castañeda Tibaquirá Dora Lilia3
Resumen: En el presente documento se describe un prototipo de medición de emisión de
monóxido de carbono y de gas metano desde un vehículo aéreo no tripulado para los
alrededores de rellenos sanitarios. El modelo se compone de cuatro partes principales: una
placa de adquisición de datos; el procesamiento de datos; la comunicación inalámbrica y la
interfaz de usuario. Para la implementación de dicho prototipo, se realizó una adquisición de
datos de variables físicas tales como la altura y los niveles de monóxido de carbono y de gas
metano, todo esto con el fin de comparar las concentraciones de dichos gases y así determinar
cuál de los dos es el que más se encuentra en los alrededores de rellenos sanitarios para de
ésta manera realizar las diferentes mediciones pertinentes de la sustancia que más
concentración tiene, y de igual forma, desde el aspecto tecnológico, ayudar principalmente a
las personas encargadas de la recolección de residuos.
Palabras clave: Adquisición de datos, comunicación inalámbrica, gas Metano, interfaz,
monóxido de carbono, rellenos sanitarios, sensores, UAV
Abstract: In this paper describe a prototype measurement of emission of carbon monoxide and
methane gas from an unmanned aerial vehicle for the surroundings of landfills. The model
1 Estudiante Tecnología en Electrónica (Ciclos Propedéuticos). Universidad Distrital Francisco José de Caldas – Facultad Tecnológica. Email: [email protected] 2 Estudiante Tecnología en Electrónica (Ciclos Propedéuticos). Universidad Distrital Francisco José de Caldas – Facultad Tecnológica. Email: [email protected] 3 Ingeniera Electrónica, Especialista en Telecomunicaciones Móviles, Magister en Docencia, directora semillero de investigación SITA. Universidad Distrital Francisco José de Caldas – Facultad Tecnológica. E-mail: [email protected]
consists of four main parts: a data acquisition board; Data processing; Wireless communication
and user interface. For the implementation of this prototype, we performed a data acquisition of
physical variables such as height and levels of carbon monoxide and gas methane, all in order
to Dos is the most found in the vicinity of landfills In order to carry out the different relevant
measurements of the substance with the highest concentration, and in the same way, from the
technological point of view, to assist the persons in charge of collecting waste
Keywords: Acquisition of data, wireless communication, gas Methane, interface, carbon
monoxide, landfills, sensors, UAV
1. INTRODUCCIÓN
Durante los últimos años se ha visto cómo el hombre con su manera de actuar ha sido uno de
los causantes del cambio climático que ha tenido el planeta. Según el diario EL MUNDO, en un
análisis realizado a un informe de la Organización Mundial de la Salud (OMS), los niveles de
contaminación atmosférica urbana han aumentado un 8% entre el 2008 y el 2013[1]. Parte de
dicha contaminación se centra en los gases de efecto invernadero (GEI), los cuales, para el año
2015 habían alcanzado nuevos niveles, llegando a 399,4 ppm (partes por millón)[2]. Una de las
fuentes de GEI es el metano (CH4), sustancia que se puede absorber por inhalación y en los
seres humanos genera asfixia, pérdida de conocimiento del individuo y hasta la muerte [3],
dicho compuesto “juega un papel importante en la determinación de la capacidad de oxidación
de la troposfera”[4]. Éste gas, el cual tiene como una de sus fuentes principales los residuos
sólidos, contribuía para el año 2007 en aproximadamente un 20% del forzamiento radiactivo
directo de la atmosfera [4]. Por su parte, el Monóxido de Carbono (CO), considerado
indirectamente como un GEI, es un gas reactivo que influye en el ciclo del metano, el cual, al
incrementarse los niveles de CO hace que la concentración de CH4 aumente [5] extendiendo
entonces los riesgos para la salud de los seres humanos y, de igual manera, los riesgos
medioambientales.
En vista de lo anterior, y con el fin de ayudar a las personas que a diario recolectan los residuos,
se implementó un sistema de medición de emisiones de monóxido de carbono y de gas metano
en un vehículo aéreo no tripulado con el fin de aplicarlo en los alrededores de rellenos sanitarios.
Para ello, se emplean sensores de gas y altura, los cuales son calibrados y se pasa así a realizar
las mediciones correspondientes. Luego de la toma de información de los sensores y mediante
comunicación inalámbrica con una interfaz de usuario, el VANT envió los datos
correspondientes, los cuales posteriormente se grafican y se analizan. Este proyecto se
implementa desde el semillero de investigación SITA, perteneciente al grupo de investigación
TELETECNO.
2. MARCO TEÓRICO
2.1. MARCO CONCEPTUAL
Antes de realizar la implementación del proyecto es importante tener en cuenta algunos
conceptos clave, necesarios para su desarrollo. Entre los cuales se encuentran, vehículos
aéreos no tripulados (Unmanned Aerial Vehicle – UAV- o –VANT-), sistemas embebidos,
sensores de gas y altura y por supuesto los dispositivos necesarios para llevar a cabo la
transferencia de información, además de una breve conceptualización de los tipos de gases a
medir, cómo se generan y claro está, qué efectos tienen en las personas.
2.1.1. Vehículo aéreo no tripulado – UAV o VANT-
Un UAV (figura 1) es una aeronave que no cuenta con tripulación humana y puede ser
totalmente autónomo u operado por control remoto. Las principales características de un UAV
son: autonomía, carga útil transportable, dimensiones, capacidad de despliegue y tipo de misión
que debe cumplir [6]
Figura 1. Vehículos aéreos no tripulados [7]
El modelo Quadcopter SK450 Turnigy (figura 2) cuenta con un controlador de vuelo kk2.1,
compuesto de 4 motores sin escobillas Brushless Multistar 2213 – 935kv, tiene un peso total de
680 g sin batería, se alimenta con una batería de LiPo de 3 celdas a 11.1 volts capaz de entregar
un eficiencia de 10 a 15 minutos de vuelo continuo [8].
Figura 2. Quadcopter SK450 Turnigy [8]
2.1.2. Sensores
Por su parte, la función de los sensores es obtener señales eléctricas en respuesta a
magnitudes de entradas no eléctricas [9]. Son varios los tipos de sensores existentes, por
ejemplo, los sensores analógicos y sensores digitales y los sensores moduladores y sensores
generadores.
2.1.2.1. Sensor MQ – 4
El sensor MQ-4 (figura 3ª) puede detectar concentraciones gas Metano (Gas Natural) de 300 a
10000 ppm (partes por millón). Este sensor tiene una alta sensibilidad y un tiempo de respuesta
rápido. Cuenta con un tamaño pequeño y muy práctico. El modulo tiene una salida digital a
través de un comparador con umbral ajustable y una salida analógica que puede ser medida
con cualquier tipo de microcontrolador o tarjeta.
Entre sus características se tiene una alimentación 5V DC ó AC, temperatura de
funcionamiento: -10 a 50 °C, Consumo de potencia: menos de 900 mW y cuenta con un peso
de 10g [10]
Figura 3a, 3b, 3c, 3d. Sensor MQ-4 [10], Sensor MQ-7 [11], Sensor BMP – 180 [12], Módulo Xbee S2 [13]
2.1.2.2. Sensor MQ – 7
El MQ-4 (figura 3b) es un sensor de Monóxido de Carbono (CO) que detecta concentraciones
desde los 20 a los 2000 partes por millón (ppm) de dicha sustancia. Al igual que el MQ-4, el
MQ-7 tiene una salida análoga y una digital, las cuales facilitan su lectura por parte de un
sistema embebido [11]. Entre sus características más importantes tenemos: alimentación de
5V, funcionamiento a temperaturas entre los -20°C y los 50°C y consume una potencia cercana
a los 350mW [14].
2.1.2.3. Sensor BMP180
El sensor BMP180 (figura 3c) es un sensor de presión atmosférica de alta precisión, este
dispositivo está diseñado para ser conectado directamente a un microcontrolador de un
dispositivo móvil a través de I2C.
Se sabe que la presión atmosférica varía con la temperatura y la altitud, estas dos variables son
las más representativas para el cambio de presión, por lo que se puede discriminar la humedad
y viento que también influyen en la presión.
Lo que mide el sensor BMP180 es la presión absoluta (barométrica) y la temperatura, al sensar
la temperatura se compensa la influencia de ésta en la presión, y con un valor más exacto de
la presión se puede calcular la altitud.
Algunas características de este dispositivo son la interfaz digital de dos cables (I2C), el amplio
rango de medición de presión barométrica, bajo ruido, pequeño tamaño, alimentación: 1.8V –
3.6V, rango de medición: 300 – 1100hPa y velocidad del protocolo máxima: 3.4 MHz [12]
2.1.3. Comunicación o transferencia de información
La comunicación de datos es visto como el proceso de transferir información digital, generalmente
binaria entre dos o más puntos [15].
2.1.3.1. Módulo XBee S2
Los Xbee serie 2 (s2) (figura 3d) funcionan mediante un protocolo serie TTL. Permiten una
comunicación bidireccional entre microcontroladores, ordenadores o cualquier dispositivo que
disponga de un puerto serie o Serie/USB a nivel TTL [16]. Algunas de sus características son:
alimentación de 3.3V; velocidad de transferencia de 250Kbps; potencia de Salida 1mV a 60MV
(+18dBm); cuenta con un rango de alcance de 90metros a un máximo de 1500 metros; 6 pines
ADC de 10-bit; 8 pines digitales IO; configuración local o de forma inalámbrica y Comandos AT
o API [13].
2.1.4. Sistemas embebidos
Los sistemas embebidos son una combinación de hardware y software de computadora,
diseñado para cumplir una función específica. Uno de los usos más representativos son os
sistemas en tiempo real [17].
2.1.4.1. PSoc 5 Lp
La PSoc 5 Lp (figura 4) es un microcontrolador que integra periféricos analógicos y digitales
configurables. Dicho dispositivo que tiene una interfaz de programación denominada PSoc
Creator cuenta con un coprocesador de bloques de filtros digitales de hardware DFB
(Distributed FeedBack) de 24 bits, bloques digitales universales basados en CPLD (Complex
Programmable Logic Device), controlador de acceso directo a memoria de alto rendimiento
(DMA), terminales analógicos de precisión de 20 bits, amplificadores de ganancia programables
(PGA), filtros, comparadores, registro de aproximación sucesiva (SAR) y convertidores
analógico-digitales Delta-Sigma (ADC).
Algunas de sus características de funcionamiento son: rango de voltaje de 1.71 a 5.5 V, maneja
hasta 6 dominios de potencia, rango de temperatura (ambiente) -40 a 85 ° C, piezas de
temperatura extendida: -40 a 105 ° C, funcionamiento DC a 80 MHz, modos de energía en modo
activo 3,1 mA a 6 MHz, y 15,4 mA a 48 MHz, modo de reposo de 2-μA y regulador de alza
desde entrada de 0,5 V hasta salida de 5 V [18]
Figura 4. Psoc 5 Lp [18]
2.1.5. Monóxido de carbono
El monóxido de carbono, también denominado óxido de carbono (II), tiene como fórmula
química el CO, es un gas incoloro pero altamente peligroso. “Ingresa al cuerpo a través de la
respiración. Puede provocar dolor de cabeza, náuseas, vómitos, desmayos e, incluso, la
muerte”. Se Produce por la alta cantidad de material combustible como lo puedes ser (gas,
carbón, petróleo, etc.), y la falta de oxígeno que hay en el medio [19]
2.1.6. Gas Metano
El metano (CH4) es un hidrocarburo alcano no polar que se presenta en forma de gas.
Constituye el 97% del gas natural y debido a que es fácilmente inflamable y explosivo es
considerado como un gas altamente peligroso [20]. Varias fuentes de emisión de gas metano
son el gas natural de los yacimientos petrolíferos; los yacimientos de carbón de hulla; la
fermentación anaerobia de restos vegetales o de materiales fecales y de sedimentos de lodo, y
por supuesto la actividad humana [21].
2.1.6.1. Fuentes emisoras de Gas Metano
La actividad humana es considerada como la principal fuente de emisiones de metano. Las tres
fuentes principales son [22]:
Combustible fósil (Carbón, petróleo y gas)
Vertederos
Agrícola (estiércol)
Combustible fósil
El metano es encontrado siempre donde hay combustible fósil. Se emite durante operaciones
normales de extracción de petróleo, gas natural o carbono. También durante la manipulación,
procesamiento y transporte (ya sea en camiones o a través de tuberías) del combustible fósil.
Con simplemente comprar o usar combustible fósil del tipo carbono, gas natural o petróleo estás
contribuyendo a las emisiones de metano [22].
Vertederos (Rellenos Sanitarios)
Tanto el estiércol como los vertederos y la basura al aire libre están llenos de materia orgánica
(Ej. Restos de comida, periódicos, pasto y hojas). La basura nueva se apila sobre la que ya
estaba y la materia orgánica de la basura se descompone en condiciones anaeróbicas (sin
oxígeno) y produciendo así grandes cantidades de metano [22].
2.1.6.2. Efectos del Gas Metano
Inhalar prolongadamente el gas metano puede provocar asfixia, ya que se dicho gas reduce el
contenido de oxígeno en el aire, dando lugar a la pérdida de conocimiento e incluso a la muerte.
Asimismo, al ser el metano una sustancia tan altamente inflamable el contacto con el aire podría
llegar a ser explosivo, produciendo de ésta manera incendios si existen focos de calentamiento.
Al igual, no se debe olvidar que el CH4 es considerado el segundo componente responsable
del calentamiento global después del dióxido de carbono [23].
3. CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO
3.1. Diagrama de bloques
En la figura 5 se observa el diagrama de bloques desarrollado para la construcción del prototipo
realizado. Este cuenta con cuatro bloques fundamentales que son descritos a continuación.
Figura 5. Diagrama de bloques
En la figura 6 se observa el prototipo realizado, en ella se puede ver el vehículo aéreo no
tripulado junto con la placa de adquisición de datos, los sensores y el módulo de comunicación
XBee S2.
Figura 6. Prototipo
3.1.1. Adquisición de datos
La adquisición de datos (figura 7) está compuesta principalmente por los sensores utilizados
(MQ – 4, MQ – 7 Y BMP - 180), una Psoc 5 Lp, y el módulo de comunicación XBee S2. El MQ
– 4 en éste caso es el encargado de medir las concentraciones de gas metano, el MQ – 7 es el
encargado del monóxido de carbono y el BMP – 180 aunque siendo un barómetro tiene como
función principal medir la altura a la que se encuentra el UAV para cada una de las mediciones
correspondientes.
Figura 7. Adquisición de datos
3.1.2. Procesamiento de datos
Para la lectura de dichas variables y el correcto funcionamiento de los sensores anteriormente
nombrados se utilizó una Psoc 5 Lp, la cual, con los debidos comandos de programación, es
capaz de leer dos sensores de diferentes tipos, dos análogos (MQ – 4 y MQ - 7) y uno digital
(BMP - 180) y a su vez, luego de realizada la lectura correspondiente, enviar mediante
comunicación RS232 la información dada. Es de resaltar que a la medición de altura se le resta
un valor de 2.400,4, esto debido a que el barómetro mide altitud con relación a metros sobre el
nivel del mar. Teniendo en cuenta que se requiere es una medición de concentración de gas
metano y de monóxido de carbono con corte vertical desde un punto de referencia determinado
(suelo); que el lugar toma de mediciones fue el relleno sanitario de Doña Juana ubicado en la
ciudad de Bogotá D. C., la cual cuenta con una altura a nivel del mar de 2.630 metros, por tanto
tan sólo se tendrá que hacer un ajuste en cientos de metros a esta medición, ajuste que se
realiza automáticamente desde la interfaz gráfica.
Figura 8. Diagrama de flujo del código implementado en el microcontrolador Para la implementación del código en el entorno gráfico de PSoc se tuvo en cuenta el diagrama
de flujo que se observa en la figura 8. En él se puede ver el paso a paso que desarrolla el
microcontrolador para poder obtener los datos de los sensores utilizados. Inicia con la
declaración de las librerías y las variables a utilizar. Posteriormente, en el programa principal
se activan los componentes necesarios (Interrupciones, ADC, I2C y UART). Luego, dentro del
ciclo infinito se da paso al inicio de las conversiones requeridas, para enseguida leer y guardar
los datos de las conversiones de los sensores en las variables usadas. Por último y antes de
finalizar el programa, es necesario enviar los datos previamente almacenados por el puerto de
comunicación RS232 al módulo XBee que se encargará posteriormente de transmitir dicha
información desde el UAV hasta la interfaz gráfica.
3.1.3. Comunicación
Para el envío y la recepción de la información previamente tratada desde el bloque de
procesamiento de datos se utilizaron módulos XBee serie 2, usando en ellos un protocolo
Zigbee, que se basa en el estándar IEEE 802.15.4. Es importante resaltar que éste protocolo
de comunicación se implementa con el fin de que no exista interferencia alguna entre los
módulos de comunicación y el control remoto del UAV o cualquier otra perturbación proveniente
de otros medios; Y que, la comunicación utilizada es punto a punto, debido a que sólo es entre
un router y un controlador. De igual forma se destaca que, con el fin de mantener la integridad
de los módulos de comunicación, se utiliza un regulador de voltaje a 3.3v para la alimentación
de XBee.
En la figura 9 se puede observar la trama de datos provenientes de los bloques de adquisición
y procesamiento de datos y recibidos por el módulo XBee serie 2. Allí se puede ver que en el
puerto serial se recibe la trama de datos correspondiente, primero a la concentración de gas y
luego a la altitud.
Figura 9. Trama de datos recibida
3.1.4. Interfaz de usuario
La interfaz de usuario (figura 9) tiene como objetivo principal el observar claramente las
variables físicas medidas anteriormente. Fue desarrollada en el entorno de programación
gráfica Labview 2016 y emplea para su funcionamiento los módulos pertinentes para la
recepción de datos mediante protocolos seriales. Dichos datos, luego de adquiridos, son
separados y tratados debidamente para ser graficados y por último guardados en una base de
datos. En la interfaz de usuario se muestran dos graficas una de ellas tiene la concentración
de metano o de monóxido de carbono con respecto al tiempo y la otra la altura con respecto al
mismo. Se debe tener en cuenta que para la medición de altura del barómetro se debe restar
esta cantidad en cientos de metros de donde se están tomando las mediciones y que dicha
cantidad, que corresponde a la primera medición que realiza el sensor, es sustraída de manera
automática.
Figura 9. Interfaz de usuario
El uso de la interfaz gráfica se puede observar en el diagrama de flujo de la figura 10. Para la
visualización de los datos representados en la interfaz gráfica es necesario, en primer lugar,
configurar el puerto serial correspondiente a XBee de recepción de los datos. Posteriormente,
se ejecuta el programa y la primera lectura correspondiente a los cientos de metros sobre el
nivel del mar del dispositivo en un punto de referencia es lo que a continuación se le ha de
restar para la lectura de la altura del vehículo aéreo no tripulado. Luego de dichas
configuraciones se puede observar las mediciones de los sensores en el aire. Al igual que, si el
usuario lo desea, puede ver los datos tomados en un archivo tipo Excel (.xlsx), archivo que
luego de finalizado el programa es guardado en el ordenador y almacenado en la nube.
Figura 10. Explicación de la interfaz gráfica
3.1.5. Requerimientos adicionales
Es importante resaltar que, para la realización de dicho prototipo fue fundamental tener en
cuenta algunos conocimientos básicos en instrumentación y lenguajes de programación junto
con conceptos matemáticos y estadísticos que ayudarán al posterior análisis de resultados
adquiridos. Adicionalmente se destaca que, con el uso de servidores web de almacenamiento
en la nube, cada una de las mediciones tomadas es guardada automáticamente en dichos
lugares, haciendo de esta manera una copia de seguridad de la información, no sólo por
prevenir perdidas sino también para futuras consultas de dichas bases de datos.
4. PRUEBAS Y RESULTADOS
Las pruebas realizadas se dividen en cinco partes, la caracterización del UAV, los datos
preliminares, la parametrización de los sensores, la comparación de la concentración de las
sustancias y las realizadas con el prototipo final. Es importante resaltar que, para éste caso, la
caracterización del UAV se realizó en espacios cerrados y al aire libre, esto con el fin de
observar las variaciones en cuestión de control del drone. La segunda prueba se ejecutó en un
espacio al aire libre pero no estando cerca del relleno sanitario; para la tercera parte se utilizó
un sensor certificado por Gas Natural S. A., para el caso del metano y para la altura se usó un
flexómetro, por su parte, el sensor de concentración de monóxido de carbono no se
parametrizó, esto debido a la dificultad para la obtención del instrumento certificado; como
quinta prueba se midieron las concentraciones de gas metano y de monóxido de carbono, para
ser analizadas posteriormente y determinar cuál de los dos gases es el que más se encuentra
en alrededores del rellenos sanitarios y por último, las pruebas finales fueron tomadas en dos
sitios diferentes a los alrededores de Doña Juana.
4.1. Caracterización del UAV
Aquí se tienen en cuenta varios parámetros propios del vehículo aéreo no tripulado que son
necesarios a la hora de desarrollar el proyecto, por ejemplo el peso máximo que puede levantar,
el tiempo de vuelo sin y con dicho peso adicional, la corriente consumida por cada motor y sus
revoluciones por minuto, etc. Los resultados arrojados en dichas pruebas se encuentran en la
tabla 1.
PARÁMETRO TURNIGY SK450
Autonomía de vuelo con 1 batería 7 minutos
Autonomía de vuelo con 2 baterías 16 minutos
Peso con batería 680 gr
Peso máximo levantado 450 gr
Corriente de cada motor 2.5 A aprox.
Revoluciones por voltio 935kv
Revoluciones por minuto 10825 rpm aprox.
Tabla 1. Caracterización del UAV
4.2. Pruebas preliminares
Las pruebas preliminares tienen como finalidad ver el comportamiento del prototipo antes de la
finalización del mismo. Después de la realización de dichas pruebas se obtuvieron unos valores
observados en la figura 11. Es importante resaltar que los valores de altura obtenidos están
dados en cientos de metros sobre el nivel del mar, esto debido al sensor barométrico utilizado,
y adicionalmente, como la realización del proyecto se llevó a cabo en una ciudad de tan alta
altitud como lo es Bogotá y con el ánimo facilitar la interacción con el usuario, desde el bloque
de procesamiento de datos a la variable encargada de guardar la información medida en altura
se le restó automáticamente 2400,4 metros sobre el nivel del mar (parámetro que puede ser
cambiado en algún momento para fines pertinentes).
Luego de ser configurado y puesto en marcha el dispositivo para la prueba preliminar, se puede
observar que en el lugar donde se estaban realizando las pruebas tenía una concentración
entre 42 y 60ppm a una altura relativamente constante de aproximadamente 2800 metros sobre
el nivel del mar. Hay que tener en cuenta que para la variación de la concentración de gas
metano el MQ – 4 fue expuesto a dicho gas en pequeñas ppm, para así lograr ver su variación.
De igual manera, en la gráfica se observa un mínimo cerca de los 2450 msnm, esto debido a
que el dispositivo en ese pequeño lapso de tiempo tuvo una interrupción en el envío y recepción
de datos del puerto serial, que de igual manera queda guardado en los datos tomados.
Figura 11. Altura versus concentración de gas metano en prueba preliminar
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0 10 20 30 40 50 60 70
Alt
ura
(m
snm
)
Concentración (ppm)
4.3. Parametrización de los sensores
Para la confiabilidad del prototipo es importante patronar los sensores que fueron utilizados
para así determinar su error con respecto a un dispositivo certificado. Para la altura se utilizó
un flexómetro y para el gas metano un GDP 3000 (instrumento utilizado por la empresa
española de comercializadora de gas natural y electricidad, Gas Natural Fenosa, para la
verificación de fugas de gas en estructuras).
Para la prueba con respecto a la altura, y teniendo en cuenta que el dispositivo diseñado es
portable, lo que se colocó dicho dispositivo a diversas alturas con respecto a un punto de
referencia por un tiempo determinado y a la par tomar la medida de la altura con el flexómetro
para, posteriormente comparar los datos obtenidos entre el sensor y el flexómetro.
En cuestión del gas metano lo que se realizó fue, estando en un punto donde no hubiera
exposición a dicho gas se colocaron los dos dispositivos, se calibraron y empezaron a medir al
mismo tiempo. Luego, se fue incrementando la exposición de dichos sensores al gas metano
(tomando, por supuesto, las precauciones pertinentes), para así, finalmente, comparar los
resultados obtenidos.
En la figura 12 se observa la variación entre el sensor barométrico (línea azul) y el flexómetro
(línea naranja), aquí se puede ver que los datos de altura entre el sensor y el flexómetro varían
al tiempo y de la misma forma, produciendo así un error de altura del BMP – 180 de ± 5,07%
con respecto al flexómetro utilizado.
Figura 12. Comparación datos de altura
En la figura 13 se puede ver la diferencia entre el MQ-4 (línea azul) y el GDP 3000 (línea
naranja). Allí se puede apreciar que, aunque en varios puntos los valores en cuestión de partes
por millón no coinciden, la variación de la gráfica se realiza de manera similar entre el MQ – 4
y el GDP 3000. En porcentaje, se puede decir que el error presentado entre el sensor utilizado
y el instrumento de la empresa Gas Natural Fenosa es de ±14,44%
Figura 13. Comparación datos de concentración de gas metano
4.4. Comparación de las sustancias
Con el ánimo de escoger el tipo de gas en base al cuál se realizan las pruebas finales con el
prototipo, se compararon los datos de concentraciones de monóxido de carbono con el gas
metano, llegando a la conclusión que la mayor parte de concentración que se obtenía era de
metano, diferenciándose entre las dos sustancias en ± 60,72%. En la figura 14 se observa la
0
5
10
15
20
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 35 38 41 44 47 50 53 56 59 62 65 68 71 74 77 80
BMP - 180 Flexómetro
0
20
40
60
80
100
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37
MQ - 4 GPD - 3000
diferencia entre el metano (línea azul) y el gas carbónico (línea naranja), haciendo notar
entonces las significativas variaciones de concentración de las sustancias en cuestión. Por
tanto, debido a ésta diferencia de cantidad de sustancia en partes por millón se seleccionó el
gas metano para realizar las pruebas finales. Además es de resaltar que, en primer lugar, la
poca concentración en ppm de monóxido de carbono no es riesgoso para la salud de las
personas, puesto que ésta sustancia empieza a ser peligrosa después de las 80 ppm [24]; en
segundo lugar, los árboles absorben gran parte de monóxido de carbono presente en el
ambiente, por tanto reducen los niveles de ésta sustancia aún más y por último, la cantidad de
CO presente no es suficiente para incrementar los niveles de metano.
Figura 14. Comparación de concentración entre el monóxido de carbono y el gas metano
4.5. Prototipo final
Con el prototipo finalizado, se llevaron a cabo dos pruebas en diversos lugares alrededor del
relleno sanitario. De estas pruebas se puede decir que las escalas de medidas fueron
debidamente modificadas, por tanto, la altura, por ejemplo ya es dada en metros con respecto
a un punto específico. Adicionalmente es de resaltar que las dos pruebas se llevaron a cabo en
horas de la mañana en días poco soleados, donde la temperatura ambiente en la ciudad de
Bogotá oscilaba entre 11 y 13 grados centígrados (según el Instituto Meteorológico de Bogotá).
Los resultados de las pruebas realizadas se pueden observar en las figuras 15 y 16.
El valor promedio de metros sobre el nivel del mar sustraído a la variable que contiene la lectura
del barómetro fue de 2825, 2400,4 desde el bloque de procesamiento de datos y el restante
0
100
200
300
400
500
600
700
800
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49
CO ppm CH4 ppm
(425) desde la interfaz gráfica de manera automática. Dato obtenido en el momento de hacer
la primera medición con el drone antes de que el mismo iniciará vuelo.
En la figura 15 se observa los resultados obtenidos en el primer lugar de medición. Aquí se
logra ver que la mayor cantidad de gas metano se concentró entre los 4 y los 7 metros de altura,
sin superar las 50 ppm. Adicionalmente se observan unos puntos de dispersión distantes de la
mayor parte de concentración de dicho gas, esto debido a que en algunos momentos el puerto
serial tenía alguna interrupción en la información enviada que de igual manera queda guardado
en la base de datos final.
Figura 15. Primeros datos de altura versus concentración de CH4 para el relleno sanitario
Doña Juana
Por su parte, en la figura 16 se observa que a mayor parte de concentración de gas metano se
encuentra entre los 0 y los 7 metros de altura, sin que estos superen, en la mayor parte del
tiempo los 40 ppm.
En dicha gráfica se observa como los puntos de dispersión son más cercanos entre sí, lo cual
hace ver que tan sólo en ciertos momentos el puerto serial tiene algunas interrupciones en el
envío y la recepción de la información. Adicionalmente, aunque más poca, se puede ver cómo
a concentración de gas metano se torna positiva a medida que la altura del UAV aumenta.
0
1
2
3
4
5
6
7
0 50 100 150 200 250
Alt
ura
(m
)
Concentración de CH4 (ppm)
Figura 16. Segundos datos de altura versus concentración de CH4 para el relleno sanitario
Doña Juana
4.6. Resultados adicionales
Los datos obtenidos para el relleno sanitario de Doña Juana, ubicado al sur de la ciudad de
Bogotá D. C., Colombia, nos arrojaron como resultado que la mayor parte de concentración de
gas carbónico a los alrededores de dicho relleno se encuentra entre los 0 y los 6 metros de
altura aproximadamente, pero de igual manera, la cantidad de partes por millón que se puede
encontrar de dicho gas no supera, en la mayoría de casos los 50ppm. Esto, en cuestión de
riesgos para la salud de las personas que residen, trabajan y/o estudian en los alrededores del
relleno y teniendo en cuenta que ninguno de dichos espacios sean confinados, podría causar
en cuestiones de salud vasodilatación cutánea, alterando de ésta manera la temperatura
corporal [25].
Perspectivas y sugerencias
Para el mejoramiento de un futuro prototipo de medición de emisiones de gas carbónico
se podría implementar un sistema de adquisición de datos con dos o más sensores de
la misma especie (MQ4 o BMP180) y realizar una comparación de datos entre los
mismos, quizá ubicándolos en diversas partes del drone para de ésta manera no ser
afectados por corrientes de aire. Adicionalmente se podría instaurar en él un sistema
de posicionamiento global (GPS) con el cual se puedan encontrar los sitios donde se
0
2
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16
0 10 20 30 40 50
Atu
ra (
m)
Concentración de CH4 (ppm)
más alta la concentración de gas. Por último y con el fin de que el piloto no tenga que
maniobrar tanto el UAV se podría implementar éste prototipo en drones con, por
ejemplo, posibilidad de preseleccionar la ruta determinada e incluso con mayor
autonomía de vuelo.
5. CONCLUSIONES
Después de finalizada la construcción y realizadas las pruebas necesarias al prototipo de
medición de emisiones de gas carbónico para rellenos sanitarios desde un vehículo aéreo no
tripulado (UAV), se puede concluir que:
o Para el correcto funcionamiento del prototipo es necesario llevar a cabo las rutinas
de calibración necesarias de los sensores a utilizar, al igual que obtener la
información necesaria para realizar un control adecuado de los sensores y de ésta
manera no afectar al dispositivo y hacer que las mediciones tomadas sean fiables.
o El papel desarrollado por los módulos de comunicación inalámbrica es
fundamental para el desarrollo del proyecto, pues, con la implementación de los
XBee se tenía un largo alcance en cuestión de transmisión y recepción de datos,
permitiendo que de ésta manera el piloto pudiera realizar un sobrevuelo a mayor
distancia, además que con el protocolo de comunicación utilizado (Zigbee punto
a punto) se aseguraba que no hubiera ninguna interferencia entre el envío y la
recepción de la información.
o La interacción con el usuario de manera fácil y práctica es fundamental para la
armonía del proyecto y para su correcto funcionamiento. Es entonces necesario
implementar una interfaz gráfica sencilla, dinámica y estética, de tal manera que
cualquier persona pueda entender e interpretar la información recibida desde el
UAV. Con el uso de Labview no sólo se lograron dichos objetivos, sino también
se pudo obtener una base de datos de la información recibidos. Dicha base de
datos, con la utilización de servidores web de almacenamiento en la nube, fue
cargada allí para posteriores consultas.
o Para la confiabilidad del dispositivo implementado fue necesario realizar
comparaciones entre éste y un instrumento debidamente certificado, para así
saber el porcentaje de error entre el diseño propuesto y el instrumento, y de igual
manera poder, en un futuro, realizar los ajustes necesarios en cuestión de
instrumentación del prototipo presentado.
o Antes de la realización de las pruebas finales fue importante que se escogiera el
gas a trabajar según su cantidad de concentración en partes por millón y y los
riesgos de ese nivel de concentración actual para el riesgo de las personas que
viven, trabajan y/o estudian a los alrededores del relleno sanitario. Para ello, fue
entonces fundamental contar con los dos dispositivos capaces de medir dichas
sustancias para posteriormente analizarlas y así poder escoger el gas a medir.
o Fue necesario realizar varias pruebas, esto debido principalmente a que el tiempo
de vuelo del UAV fue muy corto y el tiempo de carga de la batería es bastante
extenso (aproximadamente 3 horas). Además que la aerodinámica del drone se
vio afectada por el peso que tenía el prototipo, reduciendo de esta manera aún
más el tiempo de vuelo del drone.
REFERENCIAS
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del mundo,” EL MUNDO, 2016.
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del mar marcan récord en 2015,” EL MUNDO, 2016.
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