Científico UTalca enseña cómo crear una estación meteorológica casera y a bajo costo

A nivel global alrededor de 9 de cada 10 personas están respirando aire contaminado según la Organización Mundial de la Salud, y alrededor de 7 millones de personas fallecen anualmente por causa de este flagelo.  Esta contaminación es generada por material particulado fino que viene de sistemas de combustión como leña y carbón, a nivel de hogares y grandes industrias.

Chile no es la excepción. Cerca de 10 millones de personas están respirando aire fuera de norma, produciendo más de 5 mil fallecimientos anticipados por año. El Estado chileno ante el problema estableció  una red de monitoreo del aire, denominada RED CINCA, que posee sensores de un alto costo que miden de forma puntual en el sector donde se encuentra la estación de monitoreo, representando a la ciudad, y no siendo datos del todo completos.

Por ejemplo en la Séptima Región, en la capital Talca, existen tres estaciones de monitoreo, mientras que en ciudades como Curicó y Linares solo una.

Es por lo anterior que en todo el mundo se han creado centenas de estaciones meteorológicas en todas las localidades, pero solo con estaciones con sensores de bajo costo y ligadas a la internet de las cosas, que levantan los datos en tiempo real y permiten obtener la información del aire de su localidad directamente en sus teléfonos inteligentes o computadores caseros.

El Dr. Ricardo Baettig Palma, director del proyecto FIC-R “Redes de monitoreo de calidad del aire de bajo costo para la región del Maule”, explicó cómo nace esta tendencia de crear estaciones metereológicas de bajo costo.  “Desde el año 2012 en adelante se han creado nuevos sensores electrónicos de tecnologías nuevas, que permiten a bajo costo, rondando los 30 dólares, establecer puntos de monitoreo de manera intensa con miles de ellos en ciudades grandes como Santiago o centenas en capitales regionales como Talca, para tener una comprensión acabada de los procesos de la calidad del aire, y una toma de decisiones pertinente, que permita integrar a la big data las bases de datos para el desarrollo de ciencia aplicada”.

HÁGALO USTED MISMO

Con la tendencia mundial de crear sistemas  a partir de circuitos electrónicos baratos y tutoriales en plataformas como Youtube, junto a sistemas de programación y electrónica fáciles de utilizar como Arduino, sin contar con un gran presupuesto, se puede establecer un sistema de monitoreo de la calidad del aire.

“Para comenzar se necesita una conexión a internet en el hogar y la motivación para echar a andar el circuito. Existen en todo el mundo distintas redes de monitoreo en sitios web para construir las puntos como en México y Colombia. Además hay formas móviles como la denominada Flow, dispositivo que se puede instalar en la mochila”, explicó Baettig.

A través del proyecto FIC-R del Maule sobre “Redes de monitoreo para determinar la calidad del aire en distintas comunas”, se encuentra publicado un tutorial sencillo para poder fabricar este sistema en la web ficaire.utalca.cl, con los siguientes pasos:

a)       Microcontrolador: puede ser cualquiera de la familia “Arduino”, el más económico es el Arduino Nano (Fig 1a), que cuesta menos de $2000. El más simple para principiantes es el Arduino Uno (Fig 1b) con un costo en torno a $5000.  En sitios web de Chile hay multiples lugares dónde adquirirlos y pueden llegar al día siguiente: como Altronics, Rambal o en plataformas de compra online de Chile.

Figura 1. (a) Arduino Nano, (b) Arduino Uno.

b)      Sensor de MP2.5: el tutorial está basado en el HPMA115S0 del fabricante Honeywell (Fig. 2a) que ha sido discontinuado del catálogo de RS Componentes y que tenía un costo cercano a $20.000. Aunque recientemente se ha incorporado a dicho catálogo el Sensirion SPS30 por $55.000 IVA incluido (Fig 2b). Otros como el SDS011 se trabajan de forma muy parecida (Fig. 2c). Para este tipo de sensores hay que hacerlo desde páginas como la descrita o desde plataformas de compra online internacional tipo ebay, Aliexpress, etc.

Figura 2. Sensores de MP 2.5, (a) HPMA115S0 (b) Sensirion SPS30 (c) SDS011

c)       Display para exhibir datos: en rigor si se mantendrá conectado el sistema permanentemente a un computador no es necesario este display, pues pueden mostrarse los resultados en el computador.  Pero al incluirlo en el proyecto se podrá hacer una exhibición permanente y será más interesante. Se recomienda el display más simple del mercado como el “Tm1637 Arduino Amg Kits” que tiene 4 dígitos (Fig. 3), u otro que sea con comunicación SPI o I²C. Esto último es importante, pues los displays LCD comunes de dos líneas, requieren bastante cableado y no los recomiendo para principiantes. El display se encuentra a menos de $3000 en plataformas de compra online de Chile. Lo malo es que el transporte puede ser más caro que el producto mismo, tratar de comprar más artículos del mismo proveedor, para justificar el envío.

Figura 3. Display 4 dígitos con comunicación SPI (sólo 4 cables)

d)      Módulo convertidor de niveles lógicos: este accesorio es imperiosamente requerido para comunicarse con el sensor de material particulado HPMA115S0. Esto se debe a que la gran mayoría de los modelos de Arduino trabajan sus comunicaciones a 5 Volts, mientras que el HPMA115S0 lo hace a 3,3 V. El circuito actúa como un puente que permite subir o bajar los voltajes. Este circuito se encuentra a menos de $2000 en muchos sitios web de Chile. No es requerido en el caso de utilizarse los sensores SPS30 o SDS011.

Figura 4. Módulo convertidor de niveles lógicos

e)      Accesorios: Lo más difícil de conseguir son el conector y cables para el sensor HPMA115S0, pues se trata de unos conectores de tipo Molex, de tamaño muy reducido y son un poco difíciles de conseguir. Se recomienda el ítem 279-9184 en RSChile, que trae una bolsita con 5 unidades, por un precio total de $ 2845 y debe incluirse los cablecitos como latiguillos, que es el ítem 279-9544, una bolsita con 10 unidades cuesta $742. Estos demoran en llegar en la práctica unos 10 días. No es obligatorio pero es preferible comprar unos cables tipo “jumper” o “Dupont” que trae 40 cables y cuestan menos de $ 2000, comprarlos donde mismo se compre el Arduino, además de un protoboard de pequeño tamaño.

Figura 5. Conector Molex, latiguillos y protoboard. 

f)        Baterías, para empezar bastaría con reemplazador de pilas común y corriente, pero si se quiere portabilizar entonces, comprar un pack de baterías tipo 18650 o más simple comprar un powerbank de capacidad superior a 5000 mAh que con un truco simple se puede evitar que se apague automáticamente. Se pueden adquirir en tiendas que venden artículos de computación o celulares. Uno de unos 10.000 mAh ronda los $10.000.

Figura 5. (a) Transformador reemplazador de pilas y (b) powerbank

g)       Cables, cajita, cautín (habrá muy poco que soldar si se usa el Arduino Uno) y soldadura, pelador de cable delgado, etc…

Costo total: Arduino Nano $2000 + sensor $20000 + display $3000 + convertidor de nivel $ 2000 + accesorios $ 5500 + reemplaza pilas $5000, suman un total de $ 35.500, que pueden subir a $ 45 mil con opciones más costosas y a lo que se suman los gastos de transporte.

1)     Construcción

a)      Conexión en el sensor

Lo primero es armar el conector Molex con sus latiguillos, no es necesario poner todos ellos, sólo basta con colocar los 4 indispensables y el resto dejarlos sin completar. El molex tiene 8 pines. Conectarlos según la figura, los 3 de la izquierda (pines 8, 7 y 6) y el segundo de la derecha (pin 2) (Fig. 6).

Figura 6. Detalle de la conexión en sensor HPMA.

• Pin 2: (Vcc) alimentación del sensor con +5V provenientes del Arduino.
• Pin 6 (TX) pin de comunicaciones seriales tipo UART (trabaja a 3.3V).
• Pin 7 (RX) pin de comunicaciones seriales tipo UART (trabaja a 3.3V).
• Pin 8 (GND) es la tierra que cierra el circuito de alimentación, va a un pin GND del Arduino.

b)      Conexión del sensor HPMA115S0 con Arduino

En el Arduino (Fig. 7), a la derecha abajo están los respectivos pines RX (pin 0) y TX (pin 1). Si la comunicación del HPMA operara a 5V bastaría con conectar directo (sin cruzar los cables) a sus respectivos RX (pin 7) y TX (pin 6) del sensor. Pero esto no debe realizarse debido a que se dañaría el sensor, para eso es requerido el convertidor de niveles lógicos, lo que agrega algo de complejidad al circuito. La alimentación del sensor (pin 2) se hace a partir de un pin cualquiera, pero usaremos el pin 2 del arduino.  Y por último el pin 8 del conector molex del sensor se conecta a algún pin GND del arduino (hay tres disponibles).

El módulo convertidor de niveles lógicos se conecta de este modo (dibujo no está a escala):

Para que esta conexión sea efectiva y no se suelten los cables se recomienda ya sea: usar un protoboard o más simple aún, cortarle un extremo a 4 cables jumper y soldarlos a los “latiguillos” que vienen del sensor de modo de aprovechar la punta del jumper para entrar cómodamente en los pines del arduino. La soldadura cubrirla con aislante, ya sea huincha aisladora, adhesivo o vainas termofundentes si es que se dispone de ellas.

c)       Conexión de display de 4 dígitos

Usando otros 4 cables jumper cortar un extremo y soldar a los 4 pines del display. Realizar de forma parecida a como se hizo con el sensor:

• Vcc del display conectarlo a +5V del arduino
• GND a GND del arduino
• CLK a pin 13 de arduino
• DIO a pin 6 de arduino

d)      Alimentación

Enchufar el Arduino al reemplazador de pilas en +7,5 Volts y con el (+) en la punta del conector. Ya tenemos el Arduino encendido, pero falta instalar el “entorno de programación” o IDE.

2)     Programación

a)       Descargar el Windows Installer que está en la página web oficial de Arduino https://www.arduino.cc/en/Main/Software

b)      Dar click en el programa de instalación. Una vez funcionando el IDE de Arduino, debemos tener algo como esto:

Entonces se puede borrar el contenido y reemplazarlo por el código que puedes solicitar acá (rbaettig@utalca.cl).  Salvar el programa con CTRL+S y subirlo al Arduino con CTRL+U o flecha apuntando hacia la derecha. Luego de unos segundos, cuando la barra verde haya terminado abrimos el “monitor serie” que permite ver la comunicación de datos que envía el Arduino hacia el computador (botón a la derecha del menú). Ya estamos monitoreando el aire ya sea intradomiciliario o exterior, se recomienda probarlo con el humo de incienso.