Desarrollo de un prototipo piloto de módulo eco-amigable ...

Desarrollo de un prototipo piloto de módulo eco-amigable para recarga de energía e interacción.

Julian Andrés Gonzalez Velásquez, [email protected]

Trabajo de Grado presentado para optar al título de Ingeniero Electrónico

Asesor: Gustavo Adolfo Meneses, Magíster (MSc) en Ingeniería Telemetría y Automatización.

Universidad de San Buenaventura

Facultad de Ingenierías (Medellín)

Ingeniería Electrónica

Medellín, Colombia

2021

Citar/How to cite [1]

Referencia/Reference

Estilo/Style:

IEEE (2014)

[1] JA. González Velasquez, “Desarrollo de un prototipo piloto de módulo eco-

amigable para recarga de energía e interacción.”, Trabajo de grado Ingeniería

Electrónica, Universidad de San Buenaventura, Facultad de Ingenierías,

Medellín, 2021.

Bibliotecas Universidad de San Buenaventura

• Biblioteca Fray Alberto Montealegre OFM - Bogotá.

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Dedicatoria

Dedico este trabajo de grado principalmente a Dios, quien con su sabiduría infinita fue mi mayor

guía en mi proceso de formación; a mi madre por haberme forjado y apoyado en el transcurso de

mi vida mi carrera, a mi tía por haberme apoyado en el transcurso de esta.

Agradecimientos

Agradezco principalmente a Dios por haberme permitido cumplir una de mis primeras metas y

sueños en mi vida; agradezco a la universidad y al grupo de docentes que me brindaron su

conocimiento y apoyo en el transcurso de estos años de estudio, por último, quiero agradecer a

todos mis compañeros y a mi familia.

TABLA DE CONTENIDO

RESUMEN ....................................................................................................................................... 9

ABSTRACT ................................................................................................................................... 10

I. INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 11

II. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .................................................................................. 12

III. JUSTIFICACIÓN ..................................................................................................................... 13

IV. OBJETIVOS ............................................................................................................................ 14

A. Objetivo general .................................................................................................................... 14

B. Objetivos específicos ............................................................................................................. 14

VII. MARCO TEÓRICO ............................................................................................................... 15

A. Energía renovable ............................................................................................................... 15

1) Energía eólica. ................................................................................................................. 15

2) Energía Fotovoltaica. ....................................................................................................... 15

3) Biomasa. .......................................................................................................................... 16

4) Energía nuclear. ............................................................................................................... 16

5) Sistemas Fotovoltaicos. ................................................................................................... 16

a) Componentes de un sistema fotovoltaico. ................................................................ 17

A. Internet de las cosas. ........................................................................................................... 20

B. Tecnologías de la Red de sensores ..................................................................................... 20

C. Tecnología LoRaWAN ...................................................................................................... 21

D. Protocolos de una red inalámbrica ..................................................................................... 22

E. Sensores para medición de calidad del aire ........................................................................ 23

VIII. METODOLOGÍA ................................................................................................................. 26

IX. RESULTADOS ........................................................................................................................ 30

A. Diseño y puesta a punto de los sensores ............................................................................ 30

1) Acondicionamiento de Sensor de corriente. .................................................................... 30

2) Simulación con 0 Amp (Ver figura 9). ............................................................................ 33

3) Simulación a 2 Amp (Ver figura 10). .............................................................................. 34

4) Circuito de interrupción para corrientes mayores a 2 Amp. ............................................ 34

B. Componentes del kiosco eco-amigable .............................................................................. 36

1) Panel Solar. ...................................................................................................................... 36

2) Regulador de carga. ......................................................................................................... 36

3) Banco de energía. ............................................................................................................ 37

4) Inversor. ........................................................................................................................... 38

5) Iluminación. ..................................................................................................................... 38

6) Conectores de carga. ........................................................................................................ 39

7) Sombrilla y Mesa de estudio. .......................................................................................... 40

8) Armario de almacenamiento. .............................................................................................. 41

C. Circuito de eléctrico del Kiosco eco-amigable .................................................................. 42

D. Visualización de los Datos ................................................................................................. 43

E. Estructuración de los sensores............................................................................................ 44

F. Resultado final .................................................................................................................... 45

XI. CONCLUSIONES ................................................................................................................... 46

REFERENCIAS ............................................................................................................................. 48

LISTA DE FIGURAS

Fig. 1. Panel fotovoltaico ............................................................................................................... 17

Fig. 2. Regulador de carga ............................................................................................................. 18

Fig. 3. Batería ................................................................................................................................. 19

Fig. 4. Inversor ............................................................................................................................... 19

Fig. 5. Sensor Plantower PMS5003 ............................................................................................... 24

Fig. 6. Pines del ESP 8266 ............................................................................................................. 25

Fig. 7. Sensor módulo de Corriente................................................................................................ 30

Fig. 8. Circuito de acondicionamiento. .......................................................................................... 32

Fig. 9. Simulación con 0 Amp. ....................................................................................................... 33

Fig. 10. Simulación a 2 Amp. ......................................................................................................... 34

Fig. 11. Circuito de acondicionamiento simplificado. ................................................................... 35

Fig. 12. Circuito de protección para corriente. ............................................................................... 35

Fig. 13. Paneles Solares .................................................................................................................. 36

Fig. 14. Controlador de carga ......................................................................................................... 37

Fig. 15. Banco de energía ............................................................................................................... 37

Fig. 16. Inversor ............................................................................................................................. 38

Fig. 17. Eliminación ....................................................................................................................... 39

Fig. 19. Toma USB ........................................................................................................................ 39

Fig. 18. Toma de corriente ............................................................................................................. 39

Fig. 20. Sombrilla, kiosco .............................................................................................................. 40

Fig. 21. Armario de almacenamiento ............................................................................................. 41

Fig. 22. Circuito eléctrico ............................................................................................................... 42

Fig. 23. Visualización de los datos ................................................................................................. 43

Fig. 25. Caja de protección vista desde afuera ............................................................................... 44

Fig. 24. Caja de protección con los sensores y microcontroladores .............................................. 44

Fig. 26. Modulo Eco-amigable ....................................................................................................... 45

LISTA DE TABLAS

TABLA 1. CRONOGRAMA ......................................................................................................... 29

DESARROLLO DE UN PROTOTIPO PILOTO DE MÓDULO ECO-AMIGABLE PARA… 9

RESUMEN

En el desarrollo de este proyecto se evidencia la creación de un prototipo (kiosco eco-amigable),

el cual incorpora módulos solares fotovoltaicos para la recarga de dispositivos electrónicos. La

carga de energía puede realizarse por entradas USB o también por un tomacorriente de 110 Voltios,

además de esto, el prototipo cuenta con lámparas de iluminación led, lo cual ayuda con la

eliminación de la huella propia de carbono, debido a que no utiliza ningún otro tipo de energía

además de la luz solar. Adicionalmente, al agregar sensores de calidad del aire, temperatura y

humedad, el usuario que utilice este kiosco eco-amigable tendrá conocimiento sobre el aire que lo

rodea y las condiciones ambientales que rodean el lugar donde está sentado. La cantidad de energía

generada por el prototipo también será monitoreada a través de las variables de voltaje y corriente.

El desarrollo de este prototipo da pie a una nueva generación de módulos de estudio o recreación,

al aire libre o en espacios abiertos, porque al ser autosostenibles y presentar un sistema eléctrico

funcional para la recarga o uso de dispositivos electrónicos los hace adecuados para estos tipos de

actividades.

Palabras clave: Sombrilla inteligente, Panel Solar, Sistema Fotovoltaico, IoT, kiosco eco

amigable.

.


ABSTRACT

The development of this project shows the development of a prototype (eco-friendly kiosk), which

includes solar photovoltaic modules for the recharge of electronic devices, which can be powered

both by USB inputs and by a 110 Volt power outlet. The kiosk prototype has also its own LED

lighting system. This prototype helps with the removal of the carbon footprint because it does not

use any other type of energy besides sunlight, in addition to this, by implementing sensors of air

quality, temperature and humidity, the user who uses this eco-friendly kiosk will have knowledge

about the air around them and the environmental conditions surrounding the place while staying

there. The amount generated power will also be monitored through the use of voltage and current

sensors. The development of this prototype gives rise to a new generation of studio or outdoor

recreation modules located in open spaces, because being self-sustaining and presenting a

functional electrical system for the recharge or use of electronic devices makes them suitable for

these types of activities.

Keywords: Smart Umbrella, Solar Panel, Photovoltaic System, IoT, Eco Friendly Kiosk.


I. INTRODUCCIÓN

La falta de espacios de trabajo y también para la recarga de dispositivos móviles como

computadores o módulos electrónicos, es una problemática que hoy en día se está dando cada vez

más por el aumento de los componentes electrónicos que una persona puede tener, esto genera una

demanda de energía creciente, de allí surge la propuesta de desarrollo de un prototipo de kiosco

eco amigable para la recarga de energía. El propósito es solucionar esta problemática en los

espacios de interacción social y permanencia de la comunidad de la Universidad de San

Buenaventura, implementando un sistema de energía Fotovoltaico que proporciona varios puntos

para la recarga de dispositivos electrónicos y que proporciona también iluminación con lámparas

led para facilitar las tareas de lectura y estudio. Al hacer uso de las energías renovables, esta

propuesta es consecuente con iniciativas de la comunidad internacional como el “Acuerdo de

París”, creado en diciembre del 2015 por la cumbre Mundial del clima y que tiene como principal

objetivo reducir las emisiones de carbono [1]. El prototipo desarrollado de kiosco eco-amigable

trae también como beneficio a mediano- largo plazo un retorno económico debido a la utilización

de un módulo autónomo, que produce su propia energía para alimentar todos sus sistemas,

adicionalmente está la ganancia en temas de investigación y desarrollo, lo que puede dar pie a ideas

de emprendimiento y al desarrollo de proyectos futuros complementarios.


II. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

La falta de espacios para la recarga de dispositivos móviles y de trabajo, como computadores o

dispositivos similares en la Universidad de San Buenaventura Medellín, es una problemática que

hoy en día se está dando cada vez más por el aumento de los componentes electrónicos que un

estudiante, docente o personal de trabajo de la universidad lleva consigo como, por ejemplo: un

smartphone, un smartwatch, un portátil o audífonos inalámbricos entre otros gadgets. Esto genera

una demanda de energía creciente. Dada esa condición, surge la consideración de soluciones

beneficiosas para la comunidad universitaria, como lugares con generación de energía renovable

basados en energía solar fotovoltaica, además de esto, se puede aprovechar para abordar otras

problemáticas como la monitorización de variables, ligadas a la calidad del aire, las cuales son muy

importantes hoy por fenómenos como el calentamiento global, además, no es nuevo que para las

personas en la ciudad de Medellín se afrontan problemáticas ambientales por la polución del aire.

Tener referencias cercanas, a partir de un punto de medición de material particulado del aire en la

Universidad de San Buenaventura Medellín, en la sede San Benito, nos mostrará datos que podrían

ser de utilidad para la misma comunidad académica, integrando a estos kioscos de generación de

energía e interacción social, información de interés ciudadano, mostrándoles nueva información

del medio ambiente cercano que los rodea.


III. JUSTIFICACIÓN

El desarrollo de un prototipo para la recarga de dispositivos móviles en la Universidad de San

Buenaventura Medellín puede constituir un gran aporte para su comunidad, dándole un

significativo ahorro de energía eléctrica. El uso de estos módulos de recarga de dispositivos por

medio de la energía solar (Paneles solares) permite un acercamiento a lo que son estas tecnologías

de energía renovable, permitiendo reducir la huella de carbono personal.

La utilización de las energías renovables ha tenido un respaldo de la comunidad internacional con

el “acuerdo de París” que fue creado en diciembre del 2015 por la cumbre Mundial del clima, este

acuerdo comenzará a tener fuerza a partir del 2020, en el más de 200 países firmaron y se

comprometen a reducir sus emisiones de carbono. la comunidad internacional ha entendido la

obligación de tener una mejor y óptima transición hacia la reducción de la huella de carbono [1].

La utilización de este medio para la recarga de dispositivos móviles de los estudiantes y personal

de la Universidad no solo tendría un impacto económico, sino que también el estatus y la

infraestructura se verían afectadas a favor, ya que la implementación de nuevas tecnologías hace

crecer social y culturalmente a la Universidad, además sería la primera o una de las primeras de la

ciudad de Medellín en tener módulos eco-amigables para el uso de sus estudiantes.

Además, la implantación de sensores en estos módulos brinda información a las personas que lo

estén utilizando; aportando a la política del “sistema de información Ambiental de Colombia

(SIAC)” que tiene como objetivo general impulsar la gestión de la calidad del aire a corto mediano

y largo plazo, con el fin de alcanzar unos niveles de calidad el aire adecuado para proteger el

bienestar humano y su salud dentro del marco de desarrollo sostenible [2].


IV. OBJETIVOS

A. Objetivo general

Desarrollar un prototipo de sistema de medición y visualización de variables para un kiosco eco

amigable.

B. Objetivos específicos

• Diseñar un circuito para la medición de variables ligadas a la operación del kiosco y su

transmisión a distancia.

• Implementar el circuito y realizar sus pruebas de funcionamiento.

• Montaje y puesta a punto del sistema eléctrico del prototipo in-situ.

• Realizar una interfaz de visualización de los datos captados por los diferentes sensores.


VII. MARCO TEÓRICO

A. Energía renovable

La energía renovable se obtiene de la naturaleza, se denominan virtualmente inagotables porque

contienen una inmensa cantidad de energía y son capaces de regenerase por sus propios medios

[3].

Las energías renovables han formado parte de la energía que utilizan los seres humanos,

principalmente la solar, eólica e hidráulica. Estas tecnologías se han considerado como una

alternativa a las energías tradicionales por su gran disponibilidad y durabilidad, además por su bajo

impacto con el medio ambiente. Las características más importantes de las energías renovables

pueden ser que su impacto ambiental es bastante reducido, impulsan las economías locales, son

complementarias [3].

las fuentes de energía renovable más comunes son las siguientes:

1) Energía eólica.

Este tipo de energía se consigue o se obtiene del viento mediante la energía cinética generada por

el movimiento del aire. Este tipo de fuente de energía (energía eólica) ha sido administrada desde

hace mucho tiempo atrás para hacer mover las aspas de los molinos, o para desplazarse por el mar

por medio de los barcos de vela. Este tipo de energía está relacionado con el movimiento de las

masas de aire que desplazan áreas donde la presión atmosférica es mayor a lugares donde es menor

con velocidades proporcionales. La energía eólica es un recurso en abundancia, renovable y limpio

que ayuda a disminuir las emisiones de gases invernadero [3].

2) Energía Fotovoltaica.

La energía fotovoltaica es una tecnología que implica la conversión directa de la radiación solar en

electricidad utilizando células solares. El interés por la energía fotovoltaica ha crecido


exponencialmente en muchos países durante la última década, con un crecimiento del sector

fotovoltaico mundial desde 1997 entre 30 y 85% [4].

3) Biomasa.

Este tipo de energía se crea por la degradación de algunos productos, estos pueden ser biológicos

o industriales. Para la generación de energía eléctrica con base en la biomasa se puede realizar

distintos tipos, como por ejemplo centrales de biomasa para la producción solamente de

electricidad, centrales térmicas convencionales, pero en vez de utilizar combustibles fósiles utiliza

la biomasa [3].

También existe la formación de biomasa a partir de la luz solar, este proceso se lleva a cabo por

medio de la fotosíntesis que se da en las plantas. La biomasa por medio de estos procesos suele ser

posteriormente transformado en energía térmica, eléctrica o combustibles de origen vegetal [5].

4) Energía nuclear.

La energía nuclear es una energía potencial que se da en los núcleos de los átomos por la interacción

que los mantiene unidos, en este proceso de creación de energía por medio los átomos, lo que se

hace es que, por medio de fisión o fusión, se libera parte de esta energía. [6]

5) Sistemas Fotovoltaicos.

La palabra fotovoltaico está conformada por la unión de dos palabras que provienen del griego foto

y voltaico las cuales significan luz y eléctrico respectivamente. Al unir estas dos palabras se da a

conocer un resumen de la acción de la celda fotovoltaica que es transformar la energía luminosa en

energía eléctrica [8].

Un sistema fotovoltaico está constituido por varios componentes, los cuales cumplen con una o

más funciones, con el fin de suplir la petición de energía eléctrica que genera la carga utilizando la

fuente inagotable de energía solar. Con lo anterior podemos determinar que la carga es quien


determina qué tipo de componentes se va a utilizar. Existen tres tipos de cargas llamadas de

corriente continua o CC, corriente alterna (CA) y mixta, esta última está constituida por las dos

primeras. Si una carga es denominada CA se va a necesitar de un componente llamado inversor,

este dispositivo transforma el voltaje CC que proporciona los paneles solares y la transforma en

voltaje AC [7].

a) Componentes de un sistema fotovoltaico.

Un sistema fotovoltaico por lo general está constituido por 5 componentes los cuales son:

• Panel fotovoltaico: es uno de los componentes más importantes del todo el sistema de

generación de energía por medio de la luz solar, la razón es que este componente es el

encargado de recibir la luz solar sobre la superficie de la célula fotovoltaica. En el momento en

que los fotones chocan con la superficie del panel, trasmite toda su energía a los electrones del

semiconductor y así puedan circular dentro del sólido, donde parte de estos electrones salen del

material generando así una corriente eléctrica [8].

Fig. 1. Panel fotovoltaico

Nota: fuente: https://bit.ly/3vXK6Kz (Endef, Solar Solutions)

https://bit.ly/3vXK6Kz


• Regulador de carga: los reguladores o controladores de carga se encargan de la protección de

los baterías frente sobrecargas de energía o descargas profundas, ya que por medio de esto

podría ocurrir que la potencia que necesita el usuario no sea proporcional a la energía que

contiene la batería o que la radiación solar no sea suficiente. Un regulador funciona como un

mecanismo que compara el valor deseado de carga con uno de referencia y, con base en estos

datos, realiza los cambios necesarios para compensar las variaciones de energía producidas en

por el sistema fotovoltaico [8].

• Batería: Es un sistema de acumulación que está constituido por con grupo de celdas

recargables, dimensionadas para que el sistema opere de forma autónoma. Una batería de un

sistema fotovoltaico debe estar preparada para soportar corrientes moderadas como, por

ejemplo, 10 amperios por varias horas, además debe poder seguir activa sin recibir carga alguna

[8].

Fig. 2. Regulador de carga

Nota: fuente: https://bit.ly/3roLT80 (Monsolar)

https://bit.ly/3roLT80


• Inversor: el inversor es un componente o dispositivo electrónico que se encarga de la

transformación de la energía continúa producida por los paneles solares en energía alterna la

cual va a ser entregada a la carga si esta requiere CA [8].

Fig. 4. Inversor

Nota: fuente: https://bit.ly/3dbdnsI (Magomelectronica)

Fig. 3. Batería

Nota: fuente: https://bit.ly/39iteop (Sucomputo infraestructura tecnológica)

https://bit.ly/3dbdnsI

https://bit.ly/39iteop


• Elementos de protección del sistema: cualquier tipo de instalación debe seguir ciertas normas

de protección de personas, las cuales se encuentran en el reglamento electrónico para baja

tensión o legislaciones posteriores. Como principio se debe garantizar un grado de protección

mínimo del sistema, recomendando la utilización de equipos y materiales de clase II, como

también el contacto eléctrico donde haya unas operaciones superiores a 50 VRMS o 120 VDC.

Se deberá incluir todas las protecciones necesarias para la instalación contra cortocircuitos,

sobrecargas o sobretensiones [8].

A. Internet de las cosas.

El Internet de las cosas (IoT: Internet of Things) está compuestos por miles de millones de objetos

interconectados, lo que se denomina cosas u objetos pueden ser dispositivos o servicios que están

basados en una conexión a Internet y estos, a su vez, pueden transferir datos [9].

El Internet de las cosas, hace que nuestro entorno sea inteligente por lo tanto se ha explorado

tecnologías como RFID, sensores, teléfonos móviles, spime, Protocolos de internet, y

comunicación por cable o inalámbrica. Tecnologías como Bluetooth Low Energy, Tecnologías

para la energía eficiente inteligente en hogares utiliza LoWPAN para remotamente monitorear la

salud del paciente. IoT ha sido incluido en los primeros seis de la lista de tecnologías por US

National Intelligence. NIC también prevé que IoT esté presente en todo, muebles, papel, envases

de alimentos o cualquier cosa [10].

B. Tecnologías de la Red de sensores

Una red de sensores inalámbricos (WSN: Wireless Sensor Networks) se puede emplear en

aplicaciones tales como vigilancia de la vida silvestre, maquinaria de fabricación, supervisión del

rendimiento, seguridad en edificios y vigilancia de terremotos, y aplicaciones militares. Un punto

de vista aún más amplio de las aplicaciones a futuro es el seguimiento de tráfico de carreteras,


polución, incendios forestales, edificación, seguridad, calidad del agua, e incluso en la salud, como

en la monitorización del corazón u otros órganos vitales de las personas. Debido a que las redes de

sensores plantean desafíos únicos, las técnicas de seguridad utilizadas en las redes tradicionales no

pueden aplicarse directamente en estas. Primero, para hacer que las redes de sensores sean

económicamente viables, los dispositivos de sensores son limitados en sus capacidades de energía,

computación y comunicación. En segundo lugar, a diferencia de las redes tradicionales, los nodos

sensores a menudo se implementan en redes accesibles. Áreas, presentando el riesgo añadido de

ataque físico. Y tercero, las redes de sensores interactúan estrechamente con sus entornos físicos y

con personas, planteando novedades. problemas de seguridad en consecuencia, la seguridad

existente. mecanismos son inadecuados, y nuevas ideas son necesario. Afortunadamente, los

nuevos problemas también inspiran. nuevas investigaciones y representan una oportunidad para

abordar adecuadamente la seguridad de la red de sensores desde el principio [11].

los operadores de la red están comenzando a desplegar de bajo consumo de energía; tecnologías

como LPWAN que combinan una baja velocidad de datos y una modulación robusta para alcanzar

el rango de comunicaciones a varios kilómetros, esto permite topologías simples que simplifican

el despliegue de las redes y su mantenimiento, estos beneficios son conocidos como clave para

algunas aplicaciones y sus limitaciones aún no se conocen [12].

C. Tecnología LoRaWAN

LoRa es la capa física utilizada en LoRaWAN. Cuenta con operación de baja potencia (alrededor

de 10 años de vida útil de la batería para ciertas aplicaciones), Baja velocidad de datos (27 kbps

con factor de dispersión de 7 y 500 kHz canal o 50 kbps con FSK) y largo rango de comunicación

(2-5 km en zonas urbanas y 15 km en zonas suburbanas). Eso fue desarrollado por Cycleo, una

empresa francesa adquirida por Semtech. Las redes LoRaWAN están organizadas en una estrella

de estrellas, topología, en la que los nodos de puerta de enlace retransmiten mensajes entre

dispositivos finales y un servidor de red central. Los dispositivos finales envían los datos a las

puertas de enlace a través de un solo salto inalámbrico y puertas de enlace son conectado al servidor

de red a través de un no-LoRaWAN red (por ejemplo, IP sobre celular o Ethernet). La


comunicación es bidireccional, aunque la comunicación de enlace ascendente de los dispositivos

finales al servidor de red es estricta [12].

D. Protocolos de una red inalámbrica

La red de sensores inalámbrica es una tecnología emergente que tiene una amplia gama de

aplicaciones potenciales que incluyen monitoreo de entornos, espacios inteligentes, sistemas

médicos y exploración robótica. Tal red normalmente consiste en un gran número de nodos

distribuidos que se organizan en una red multi-hop o de múltiples saltos. Cada nodo tiene uno o

más sensores, procesadores integrados y radios de baja potencia, normalmente funciona con

baterías. Normalmente, estos nodos se coordinan para realizar una tarea común. Como en todas las

redes de medios compartidos, control de acceso a medio. (MAC) es una técnica importante que

permite el funcionamiento exitoso de la red. Una de las tareas fundamentales del protocolo MAC

es evitar las colisiones para que dos nodos interferentes no lo hagan. transmitir al mismo tiempo

[13].

Hay muchos protocolos MAC que Se han desarrollado para la comunicación inalámbrica de voz y

datos. redes Ejemplos típicos incluyen la división de tiempo múltiple acceso (TDMA), acceso

múltiple por división de código (CDMA), y Protocolos basados en contienda como IEEE 802.11

Para diseñar un buen protocolo MAC para las redes de sensores inalámbricos, hemos considerado

los siguientes atributos. El primero es la eficiencia energética. Como se indicó anteriormente, los

nodos sensores son probables ser alimentado por batería, y es a menudo muy difícil de cambiar o

recargue las baterías de estos nodos. De hecho, algún día esperamos. Algunos nodos son lo

suficientemente baratos para que sean descartados en lugar de que recargado. Prolongar la vida útil

de la red para estos nodos es un tema crítico. Otro atributo importante es la escalabilidad para el

cambio en el tamaño de la red, densidad de nodo y topología. Algunos nodos pueden dejar de

funcionar con el tiempo; algunos nodos nuevos pueden unirse más tarde; algunos nodos pueden

moverse a diferentes lugares. La topología de la red cambia con el tiempo también debido a

diferentes razones [13].


Un buen protocolo MAC debería acomodar fácilmente tales cambios de red. Otros atributos

importantes incluyen equidad, latencia, rendimiento y utilización del ancho de banda. Estos

atributos son generalmente los primarios. preocupaciones en las redes inalámbricas tradicionales

de voz y datos, pero en Las redes de sensores son secundarias. Mientras reducir el consumo de

energía es el objetivo principal del diseño, nuestro protocolo también tiene buena escalabilidad y

se evitan las colisiones mediante la utilización de un esquema combinado de programación y

contención. Para lograr el objetivo principal de la eficiencia energética, se identificó cuáles son las

fuentes principales que causan un uso ineficiente de la energía, es así como que con

compensaciones se alcanza una reducción la energía de consumo [13].

E. Sensores para medición de calidad del aire

El aire que se respira en las ciudades está compuesto por agentes contaminantes como Óxidos de

nitrógeno (NOx), amoníaco (NH3), monóxido de carbono (CO), metano (CH4), dióxido de azufre

(SO2), Ozono (O3), compuestos orgánicos volátiles (VOCs, por sus siglas en inglés) y material

particulado, este último formado por una mezcla de diferentes partículas que se encuentran

suspendidas en el aire, los más conocidos son los llamados PM10 y PM2.5 en relación a su tamaño

en micrómetros.

Entre los tipos de sensores más utilizados para la medición de compuestos y agentes contaminantes

presentes en el aire tenemos [14] [15]:

• Sensores metal-óxido de semiconductor

• Sensores ópticos

• Sensores calorimétricos

• Sensores por cromatografía de gases

• Sensores de onda acústica de superficie

• Sensores basados en quimioluminiscencia


Un ejemplo de estos sensores es el Plantower PMS5003 (Ver figura 5), el cual Detecta partículas

de varios tamaños (PM1, PM2.5, PM10) de fuentes como humo, polvo, polen, metal y partículas

orgánicas, y más [16].

Fig. 5. Sensor Plantower PMS5003

Nota: fuente: https://bit.ly/3w0nFEU (Distrelec)

https://bit.ly/3w0nFEU


Tarjeta ESP 8266: Es un módulo o tarjeta de desarrollo con un circuito integrado con conexión

WiFi y compatible con el protocolo TCP/IP; la principal función que tiene este dispositivo es dar

acceso a cualquier microcontrolador a una red. Esta tarjeta tienes diferentes usos, con ella se pueden

tener los electrodomésticos conectados al internet, la automatización del hogar, tareas de

automatización en la industria, Cámaras IP, redes de sensores, aplicaciones del IoT (Internet of

Things), entre otras [17].

La tarjeta ESP 8266 tienes múltiples puertos, como se puede apreciar en la figura 6, esto hace que

sea una gran herramienta para comunicación entre dispositivos, manejo y trasmisión de datos, entre

otros usos que tiene esta tarjeta.

Fig. 6. Pines del ESP 8266

Nota: fuente: https://bit.ly/3f9HZh0 (naylampmechatronics)

https://bit.ly/3f9HZh0


VIII. METODOLOGÍA

• Etapa 1: Selección de los componentes

En esta etapa se realizó una búsqueda de los componentes a utilizar, se seleccionaron los

componentes frente a las necesidades del problema antes planteado, estos componentes cubren

desde sensores, como por ejemplo sensores para medir corriente, voltaje, calidad del aire; como

también una estación de meteorología la cual está compuesta por diversos sensores como de

temperatura, humedad, presión atmosférica, velocidad del viento y la cantidad de agua caída por

lluvia o pluviometría.

• Etapa 2: Diseño y realización de los planos de conexiones.

El diseño y la realización de los planos se hace con base a la infraestructura y necesidades puestas

en el problema. Los planos se diseñan en varias partes temiendo en cuenta la toma de datos y su

distribución a la plataforma de visualización que esta puede ser virtual o física. El diseño del primer

plano es para la conexión y distribución de los sensores además de la toma de todas las variables

de medición que van dirigidas a microcontrolador, este a su vez, estará administrando la

información que luego será transmitida por el circuito de comunicación. El diseño del plano del

circuito de comunicación se tendrá en cuenta el tipo de protocolo de transmisión de los datos, LoRa

o WiFi. La utilización de alguno de estos protocolos se hará por la facilidad de la comunicación

ente el microcontrolador que recibe los datos y la plataforma que se esté utilizando en la nube para

la visualización de los datos.

• Etapa 3: Programación del microcontrolador (Firmware)

La programación del firmware va a depender de la forma de visualización de los datos, pero antes

de esto se deben administrar las variables de los sensores para tener un control y una interpretación

mejor de estos datos, la estructura de visualización va a depender de cuáles son los datos que desean

ver en la parte grafica.


• Etapa 4: Prueba y depuración

En esta etapa se hacen todas las validaciones necesarias para el correcto funcionamiento de los

circuitos y la programación de microcontrolador. Se comienza por hacer las pruebas en la lectura

de cada uno de los sensores por separado y se revisa su correcta medición de su variable, después

de esto se conectan todos los sensores y se envían los datos al microcontrolador y se revisa que no

haya interferencia entre todas las variables. Al tener esto correcto se revisa si la programación del

microcontrolador es correcta y procesa toda la información de la forma esperada, sin retrasos o

inconvenientes.

• Etapa 5: Diseño y montaje de la PCB

En el diseño de la PCB se tienen en cuenta los tipos de sensores y su morfología para tener una

distribución adecuada además de los planos antes realizados, se utiliza toda en esta información

para diseñar la tarjeta por medio de un software o CAD de diseño electrónico, como por ejemplo

“Eagle” o “Dip Trace”, herramientas muy útiles a la hora de hacer diseño de tarjetas PCB. Por cada

plano o circuito antes utilizado se hará una tarjeta para la facilidad de hacer reparaciones dado el

caso o mantenimiento, además de la facilidad a la hora de posicionamiento de los componentes

electrónicos.

Montaje y puesta a punto del sistema eléctrico del prototipo in-situ:

Para el montaje en el sitio, se tuvo que coordinar la logística del transporte desde el taller en donde

se fabricó la estructura del prototipo hasta la sede San Benito de la Universidad de San

Buenaventura Medellín, gestionando todos los permisos y requerimientos exigidos debido a la

pandemia. Luego, en el patio de central de la sede San Benito, se coordinó con la dependencia de

Espacios Físicos de la Universidad la elección del sitio de instalación y se realizaron las tareas de

fijación mecánica de la estructura, del parasol y del módulo de los paneles solares fotovoltaicos.

También se adecuaron las conexiones y se agregaron algunas perforaciones al cajón y a los

tubulares para el paso del cableado y la salida del agua que puede acumularse debido a las lluvias.

Finalmente se protegieron e impermeabilizaron algunos bornes y conexiones eléctricas, igualmente


se añadió una caja con especificación IP para albergar en esta el controlador de carga y el inversor

de voltaje. Finalmente se instalaron las lámparas y tomas de conexión y recarga, se verificaron las

conexiones eléctricas y el funcionamiento de estos elementos.

• Etapa 6: Diseño y desarrollo de la interfaz de visualización.

Para el diseño de una interfaz gráfica se tiene en cuenta la forma de visualización y los usuarios a

los que van dirigidos los datos e información, en este caso estudiantes y personas de la comunidad

universitaria. Teniendo esto en cuenta se ha de diseñar de forma amigable y agradable a la vista

del usuario final. Para el desarrollo de la interfaz en la nube se debe tener una comunicación estable

entre la sección de comunicación y la nube, esta comunicación debe entregar los datos de forma

que el servidor, la base de datos o la plataforma a utilizar tenga acceso a todos los datos y puedan

ser mostrados a los usuarios. Una plataforma muy útil para hacer este procedimiento es “Ubidots”

esta plataforma tiene una gran diversidad de herramientas las cuales hacen el proceso más fácil y

de forma más intuitiva al desarrollador.

• Etapa 7: Pruebas de todos los componentes en funcionamiento.

Para entregar el sistema ya terminado, se ha de corroborar su completo funcionamiento durante

alrededor de un mes, esto para el descarte de errores que pueden presentarse o la corrección de

situaciones o escenarios de operación no previstos. Luego de hacer esto y verificar el

funcionamiento conforme, se tiene un prototipo terminado y probado para su completa

implementación en módulos eco-amigables.


TABLA 1. CRONOGRAMA

OBJETIVO ACTIVIDAD Semanas

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Objetivo

específico 1.

Actividad 1

Actividad 2

Objetivo

específico 2.

Actividad 3

Actividad 4

Objetivo

específico 3

Actividad 5

Actividad 6

Actividad 7

• En la actividad 1 se realizará el diseño del circuito para la medición de las variables además

de la búsqueda y selección de los componentes.

• En la actividad 2 se realizará el diseño del circuito para la transmisión de las variables.

• En la actividad 3 se implementará el circuito antes diseñado.

• En la actividad 4 se realizará las pruebas de funcionamiento.

• En la actividad 5 se realizará el diseño de la interfaz de visualización.

• En la actividad 6 se realizará la implementación de la interfaz de visualización.

• En la actividad 7 se realizará las pruebas de funcionamiento de la interfaz gráfica junto con

el circuito de visualización.

¿Qué estrategias de seguimiento se utilizarán para garantizar el cumplimiento del

cronograma planteado?

Al tener una estructura del proceso de realización de las actividades, dándole un tiempo discreto a

cada actividad y dándole un margen error por inconvenientes que puedan surgir con el paso del

tiempo, se puede obtener un cronograma riguroso, pero a la vez flexible dando seguridad al

desarrollo del trabajo.


IX. RESULTADOS

A. Diseño y puesta a punto de los sensores

En esta sección se presentan los resultados obtenidos en las fases de diseño, implementación, puesta

a punto, operación y pruebas del proyecto. A continuación, se describe lo realizado para el circuito

de medición de corriente

1) Acondicionamiento de Sensor de corriente.

Se muestra, en la figura 8 y figura 9, un circuito de acondicionamiento para un sensor de corriente

el cual es un “GY-712-20A”, ver en figura 7.

Para el acondicionamiento de este sensor, se realizó el siguiente procedimiento:

Se desea que para 0 Amp la salida del acondicionamiento debe ser de un voltio y para 2 𝐴𝑚𝑝 debe

ser de 5 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑖𝑜𝑠. El sensor de corriente entrega 2.69 𝑉 para 2 𝐴𝑚𝑝 y 2.49 𝑉 para 0 𝐴𝑚𝑝 teniendo

en cuenta lo anterior se realiza los siguientes cálculos:

𝐺𝑎𝑛𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 =𝛥 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒

𝛥 𝑆𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟=

(5 𝑉 − 1 𝑉)

(2.69 V − 2.49 V)

𝐺𝑎𝑛𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 = 20

Fig. 7. Sensor módulo de Corriente.

Nota: fuente: https://bit.ly/3soKkZe (I+D Electrónica)

https://bit.ly/3soKkZe


Esta ganancia se reemplaza en la siguiente ecuación:

𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑎𝑗𝑒 = 𝐺𝑎𝑛𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎(𝑉 𝑠𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟 − 𝑉 𝑅𝑒𝑓)

1 𝑉 = 20(2.49 − 𝑉 𝑅𝑒𝑓)

Despejando 𝑉 𝑅𝑒𝑓:

𝑉 𝑅𝑒𝑓 = 2.45 𝑉

Con los resultados anteriores se llevan al circuito (ver figura 8) de acondicionamiento, en el cual

para tener un lazo de corriente el cual medir se puso una fuente de corriente y para el voltaje de

referencia se utilizó una fuente de voltaje, para obtener la ganancia del circuito de amplificación se

utilizó la siguiente formula:

𝐺 = 1 +𝑅2

𝑅1

Al reemplazar los valores de la ganancia deseada y una resistencia cualquiera mayor a 10k se

obtiene el valor de la otra.

A continuacion se puede onservar el circuito de aconsicionamiento completo y sus partes:


Para verificar el correcto funcionamiento del circuito antes de su implementación en protoboard se

realizó la simulación de su operación.

Fig. 8. Circuito de acondicionamiento.


2) Simulación con 0 Amp (Ver figura 9).

En esta simulación se prueba la correcta medición y funcionamiento para 0 Amp:

Fig. 9. Simulación con 0 Amp.


3) Simulación a 2 Amp (Ver figura 10).

En esta simulación se prueba la correcta medición y funcionamiento para 2 Amp:

Como antes se mencionó (Figura 8), se puede llegar a simplificar utilizando un amplificador

operacional INA128, este amplificador hace el trabajo de un amplificador diferencial, con la gran

diferencia de solo utilizar una resistencia para cambiar su ganancia (Ver figura 11).

4) Circuito de interrupción para corrientes mayores a 2 Amp.

Este circuito (Ver figura 11), funciona como una protección para evitar que circule una corriente

mayor a 2 Amperios en el circuito, además de esto sirve para controlar qué dispositivos se conectan

al lazo de corriente, debido a que, si se supera este umbral, pueden llegar a ocurrir daños en el

circuito.

Fig. 10. Simulación a 2 Amp.


Fig. 11. Circuito de acondicionamiento simplificado.

Fig. 12. Circuito de protección para corriente.


B. Componentes del kiosco eco-amigable

1) Panel Solar.

Como se puede observar en la figura 13, esta parte se compone por dos paneles solares los cuales

son los encargados de alimentar el banco de energía, además de los conectores de carga e

iluminación que se observara más adelante en este documento.

2) Regulador de carga.

Como su nombre lo indica, este dispositivo (ver figura 14) regula y controla la carga de las baterías

y también la salida de energías de estas, es decir, si las baterías se encuentras por debajo del límite

de voltaje permitido, este controlador evita que se descargue más impidiendo la salida de corriente

de las baterías, además de esto, si las baterías se encuentran a cargadas en su totalidad evita que se

carguen más, prologando el tiempo de vida útil de estas.

Fig. 13. Paneles Solares


3) Banco de energía.

El banco de energía se compone de dos baterías las cuales tienen como características que cada una

puede entregar 12 Voltios y 35 Amperios-Hora, siendo así, un apropiado medio de almacenamiento

para la energía suministrada por los dos paneles solares instalados en la parte superior del kiosco

(ver figura 15).

Fig. 14. Controlador de carga

Fig. 15. Banco de energía


4) Inversor.

Es uno de los componentes más importantes, ya que es el que va a alimentar la iluminación led del

kiosco, además de proporcionarle corriente a la toma de 110 voltios AC, en la que se puede conectar

cualquier dispositivo que se requiera (ver figura 16).

5) Iluminación.

La iluminación se compone por tres lámparas de luz led cada una de ellas de 10 vatios de potencia,

las cuales están siendo alimentadas por el inversor; adicional de esto cuenta con switch o interruptor

que permite a voluntad del usuario encender o apagar las luces (Ver figura 17).

Fig. 16. Inversor


6) Conectores de carga.

Los conectores de carga se dividen en dos grupos, uno en conectores de DC los cuales son 4 tomas

USB (Ver figura 19) para la recarga de dispositivos móviles entre otros y por otra parte una toma

de corriente convencional de 110 Voltios (Ver figura 18).

Fig. 17. Eliminación

Fig. 19. Toma de corriente

Fig. 18. Toma USB

Nota: fuente: https://bit.ly/2NVUQrW (Vittoria)

https://bit.ly/2NVUQrW


7) Sombrilla y Mesa de estudio.

Podemos evidenciar de una sombrilla con una envergadura algo grande, 3 metros de diámetro, por

el motivo que de que la mesa de estudio es de 6 puestos, por lo cual se debía ser generoso con el

tamaño en la sombrilla, la mesa está compuesta principalmente de madera, además de eso tiene

unos refuerzos de metal para que no se dañe a futuro con el uso de los usuarios (ver figura 20).

Fig. 20. Sombrilla, kiosco


8) Armario de almacenamiento.

Este se compone por una caja metálica de gran tamaño donde todos los equipos electrónicos van

a estar resguardados de la intemperie, siendo así para alargar la vida útil de los componentes

electrónicos (ver figura 21).

Fig. 21. Armario de almacenamiento


C. Circuito de eléctrico del Kiosco eco-amigable

Como se puede visualizar en la figura 22, es un esquema de todo el cableado eléctrico que está

compuesto por al interior de este prototipo además de todas las conexiones y fuentes de

almacenamiento.

Fig. 22. Circuito eléctrico


D. Visualización de los Datos

Se ha escogido la plataforma Thingspeak como medio de visualización grafica de la toma de datos

de los sensores de temperatura, Humedad y material particulado, ya que es una plataforma muy

fácil de usar y es compatible con el ESP 8266 brindando la mejor sincronía de los datos visualizar,

como se puede visualizar en la Figura 23, la graficas se pueden personalizar al tipo de datos que se

esté recibiendo.

Fig. 23. Visualización de los datos


E. Estructuración de los sensores

Como se puede visualizar en la figura 24 y 25, estos son los sensores y microcontroladores que se

utilizaron además de cómo están instalados en la caja de protección ya que al estar a la intemperie

de deben de proteger para alargar la vida útil de los sensores y microcontroladores, en la figura 25,

los sensores de corriente y voltaje no se encuentran visibles ya que estos se encuentran conectados

directamente a los cables de la salida del banco de energía(baterías) y llegan los datos hasta la caja

por medio de un cable hasta los microcontroladores.

Fig. 25. Caja de protección con los sensores y

microcontroladores

Fig. 24. Caja de protección vista desde afuera


F. Resultado final

Como se puede ver en la figura 26, El resultado del prototipo es satisfactorio, brindando así a los

estudiantes, docentes y personal de la Universidad un espacio para la recarga de dispositivos

móviles y de trabajo como lo son los computadores u otros componentes que son necesarios

recargarlos, resolviendo de manera eco-amigable la problemática que hoy en día se está dando cada

vez más por el aumento de los componentes electrónicos que un estudiante, docente o personal de

trabajo de la universidad lleva consigo; esto genera una demanda de energía, dando paso a la

solución del aprovechamiento de las energías renovables, como lo es este prototipo, un kiosco

eco-amigable que tiene en la parte superior (ver figura 24) dos paneles solares para así aprovechar

la energía solar, además de esto se integró ciertos sensores para medir el material particulado como

también humedad y temperatura, brindando además de la experiencia te estar en un entorno

completamente eco-amigable, también podrá visualizar como es la calidad del aire en el medio

donde se encuentra mientas realiza otras actividades del día a día.

Fig. 26. Modulo Eco-amigable


XI. CONCLUSIONES

Se ha realizado el proceso de diseño, instalación, puesta a punto y pruebas de los sistemas eléctricos

y electrónicos de un kiosco eco-amigable concebido para la recarga de energía e interacción social

de los estudiantes y personas de la comunidad universitaria de la Universidad de San Buenaventura

Medellín, sede de San Benito. Si bien el foco de este trabajo de grado se centra en los sistemas

electrónicos, de sensado y de comunicaciones ligados al prototipo, la instalación y puesta operación

en el sitio también requirió de una inversión de tiempo y trabajo considerable, que involucró tareas

de fijación mecánica de componentes, ubicación de enclosures para los elementos del sistema

fotovoltaico, protección de elementos contra los agentes de intemperie y cableado interno-externo

del kiosco.

Al final de la instalación y puesta a punto de cada uno de los componentes; sistema de sensores, de

comunicación y sistema eléctrico, entre otros, se observa el resultado que se esperaba, cumpliendo

con las expectativas propuestas al inicio de este proyecto. Se da así la oportunidad a los estudiantes,

personal de trabajo o cualquier otra persona que haga uso de este kiosco eco-amigable una nueva

experiencia en el entorno donde se encuentra instalado, proporcionando un nuevo punto de vista a

la cotidianidad de estos puestos de trabajo y recreación, suministrando un medio para la recarga de

sus equipos electrónicos por medio de puertos USB o un toma de corriente alimentados únicamente

por energía solar, asimismo la iluminación que también está conectada a la misma fuente de

energía.

El sistema de telemetría para la toma de datos de los sensores de material particulado, temperatura

y humedad, dan un aporte para mejorar esta experiencia al poder visualizar este tipo de información

de manera interactiva por medio de un celular u otro dispositivo que pueda escanear un código QR

y tener acceso a la internet, de esta manera se está más enterado en tiempo real sobre la calidad del

aire alrededor del kiosco eco-amigable.

Aparte de proveer un punto de recarga de dispositivos y de permanencia, reposo o estudio de las

personas de la comunidad académica al interior de la sede de San Benito, este proyecto busca

conectar a las personas con nuevas tecnologías y con los datos, con energías renovables y


concientizar sobre la importancia de soluciones que apunten al desarrollo sostenible y que cambien

la forma cómo interactuamos con nuestro entorno cercano, conocer los datos de variables

ambientales cercanas y de influencia sobre nuestra vida diaria.

Al final de todo el proceso seguido con la realización de este trabajo de grado, quedan muchos

aprendizajes frente a todas las etapas recorridas. El desarrollo de un prototipo que finalmente no

va a operar en condiciones de laboratorio sino que va operar en condiciones reales, con usuarios, a

la intemperie y con condiciones de diseño mecánicas y operativas funcionales, es diferente y

requiere de una exigencia mayor a proyectos de otro tipo que no superan la fase de diseño o de

solamente pruebas cortas de operación, bajo condiciones controladas.


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