Sistema de monitoreo, control y automatizacin de cierre en hornillas para evitar fugas de GLP, en tiempo real.

Monitoring, control, and automation system for closing burners to prevent LPG leaks, in real time

Danny Adrin Pia Pia 1Link to video owner's profile0009-0004-6919-7240, Priscila Elizabeth Bernal Ortiz2Link to video owner's profile0009-0007-7823-5570, Doris Yolanda Suquilanda Villa3Link to video owner's profile0000-0001-6811-1784

danny.pina.est@tecazuay.edu.ec, priscila.bernal@tecazuay.edu.ec, doris.suquilanda@tecazuay.edu.ec

123.Instituto Tecnolgico del Azuay con Condicin de Superior Universitario, Azuay/Cuenca, Ecuador.

 

DOI 10.36500/atenas.4.003

Resumen

El presente artculo aborda la implementacin de un sistema de monitoreo y control de fugas de gas, especficamente diseado y desarrollado para detectar y gestionar fugas de gas licuado de petrleo en cocinetas domsticas. El proyecto plante la implementacin combinada de sensores de gas y flama, un controlador ESP32, una Raspberry Pi, y servomotores. El flujo de datos e informacin generado se transmite por intermedio del protocolo MQTT, el cual alimenta a una base de datos en la nube; as como a otra local, lo que facilita la emisin de alertas a un dashboard, a una aplicacin mvil, lo que permite la gestin local y remota; as como, la automatizacin del cierre de hornillas en situaciones de emergencia, como cuando se dejan encendidas al salir de casa. Los resultados clave indican una eficiencia superior al 95%, en la deteccin; y una precisin en el cierre, con tiempos de respuesta inferiores a 2 segundo; el sistema resalt, por su integracin tecnolgica, escalabilidad y su capacidad minimiza los riesgos domsticos, ofreciendo una solucin accesible y efectiva.

Abstract 

This article addresses the implementation of a gas leak monitoring and control system; specifically designed and developed to detect and manage leaks of liquefied petroleum gas in domestic kitchenettes. The project involved the combined implementation of gas and flame sensors, an ESP32 controller, a Raspberry Pi, and servo motors. The flow of data and information generated is transmitted through the MQTT protocol that feeds into a cloud database and a local database, facilitating the issuance of alerts to a dashboard, a mobile application, allowing local and remote management, as well as the automation of the closing of burners in case of emergencies such as when leaving the burners on when leaving home. Key results indicate detection efficiency above 95% and high shut-off accuracy, with response times under 2 seconds. The system stands out for its technological integration, scalability, and its ability to minimize household risks, offering an accessible and effective solution.


Palabras clave: Internet de las Cosas, Domtica, deteccin de gas, monitoreo remoto, automatizacin, seguridad domstica.

Keywords:  Internet of Things, Domotics, gas detection, remote monitoring, burner control, home security.

I.                Introduccin

Los domicilios son considerados como lugares de comodidad y seguridad; sin embargo, existen ciertos espacios que se pueden catalogar como vulnerables a situaciones de riesgo y que pueden poner en juego la vida de quienes los habitan. Uno de estos riesgos est ligado a las fugas de gas y los descuidos en la cocina; estos incidentes pueden causar incendios, explosiones y envenenamientos. En China, en el Hospital of Zhejiang University, segn el estudio realizado por Jin R. et al. (2018), se demostr que la fuga de gas (81,03%) fue la principal causa de quemaduras relacionadas con Gas Licuado de Petrleo (GLP), seguida de la operacin inapropiada (7,69%) y la negligencia en la cocina (2,05%), lo que destaca el aumento exponencial de las quemaduras relacionadas con el GLP. En Amrica Latina, las fugas de GLP constituyen una seria amenaza para la seguridad en el mbito domstico. Por ejemplo, en Colombia, entre 2015 y 2020, se documentaron alrededor de 1,500 incidentes relacionados con el uso de GLP en el hogar, lo que subraya la necesidad de un manejo ms seguro (Garca Bernal y Argello Verbanaz, 2021). En Per, durante 2020, se reportaron cerca de 200 incidentes en viviendas a causa de fugas de GLP (Gasnova, 2022). Si bien, no se cuentan con datos precisos para Argentina y Brasil, en ambos pases se presentan dificultades considerables relacionadas con fugas en instalaciones domsticas y accidentes vinculados al uso de GLP (Silva et al., 2022). En el contexto especfico de Ecuador, la Secretara Nacional de Gestin de Riesgos (2015) report que entre 2010 y 2015 ocurrieron 231 incendios y explosiones provocados por fugas de gas, afectando o destruyendo 224 viviendas. Adems, solo en la ciudad de Cuenca, durante 2023, el Benemrito Cuerpo de Bomberos registr 183 incidentes relacionados con fugas de GLP. Estos datos reflejan la urgencia de implementar medidas preventivas que permitan garantizar la seguridad de las familias y hogares de los diversos pases de la regin. Segn Hernndez & Prez (2021), el sistema de distribucin de gas GLP por medio de cilindros es comnmente utilizado en reas rurales o donde la infraestructura de tuberas no es viable, lo cual ofrece flexibilidad y facilidad de instalacin; sin embargo, presenta desventajas en trminos de costos de mantenimiento y riesgos de seguridad debido a la manipulacin frecuente de los cilindros; adems, la existencia de conexiones inseguras o el mal estado de los elementos, lo que favorece a incrementar el riesgo de accidentes.

En Ecuador, el sistema de distribucin de GLP, se realiza principalmente por medio de cilindros, tanto en el rea urbana; as como, en el rea rural; en contraste, del sistema de distribucin de Gas Natural (GN), manejado por otros pases latinoamericanos como Argentina o Per. La distribucin por tuberas del GN, proporciona un suministro continuo y seguro de gas permitiendo controlar la presin y flujo, volvindolo ms eficiente y fiable, adems de reducir la necesidad de reabastecimientos frecuentes, disminuyendo as los riesgos asociados con el manejo de cilindros (Garca & Romero, 2019). El riesgo que representan las fugas de gas en entornos domsticos se vuelve an ms alarmante, al considerar su naturaleza incolora y las circunstancias en las que ocurren, ya que su olor puede pasar desapercibido, lo que dificulta una deteccin oportuna; especialmente, durante las horas de sueo. La inhalacin de gas puede provocar intoxicaciones que van desde leves hasta graves, manifestndose comnmente a travs de sntomas como cefaleas, mareos y vmitos. No obstante, en situaciones de inhalacin prolongada puede llevar a la muerte. Para reducir estos riesgos, es fundamental considerar diversos factores, como la realizacin de mantenimiento preventivo y la educacin de la poblacin sobre los peligros asociados al uso y manejo de cilindros de GLP hasta el empleo de tecnologa, puesto que en la actualidad los avances en este campo han propiciado el desarrollo de un conjunto de elementos electrnicos que permiten censar el ambiente, transmitir la informacin para su procesamiento y generar alertas sobre posibles fugas de gas. Con base en ello, es importante resaltar la concepcin de Internet de las Cosas (IoT), manifestado por Kevin Ashton (2009), quien sostena que, si se contara con ordenadores que comprendieran todo lo necesario acerca de las cosas, empleando la informacin recolectada y sin intervencin humana, se tendra la habilidad de enumerar todo y disminuir significativamente el desperdicio, las prdidas y los gastos. Esto permitira saber cundo es imprescindible sustituir, reparar o eliminar las cosas, si stas son nuevas; o, si es que han pasado su mejor periodo. Por consiguiente, la tecnologa de sensores facilita a las computadoras la capacidad de observacin, identificacin y entendimiento del mundo, sin las restricciones de que los datos sean introducidos por personas. Por lo tanto, considerando una perspectiva orientada al Internet, como lo indica Buitrn (2022) el IoT se muestra como una infraestructura global que permite conectar diferentes dispositivos a Internet y entre s, admitiendo el control y monitoreo remoto; de tal forma que, posibilita las implementaciones domticas que, involucran la automatizacin, la seguridad y el control del hogar. Estas aplicaciones domticas, segn Millan (2016), buscan transformar una casa en "inteligente" (nfasis aadido) mediante la implementacin de diversas tecnologas que permiten ahorrar energa, aumentar la seguridad y mejorar el confort. Este tipo de sistemas contribuyen significativamente a la seguridad y bienestar de las personas.

Las fugas de GLP en ambientes domsticos representan un riesgo significativo para la vida y las posesiones; segn estudios recientes, se logran tasas de deteccin entre 90% y 98% y latencias que varan segn la tecnologa aplicada; por tanto, el presente proyecto tuvo como objetivo el implementar un sistema de bajo costo (USD 453) que integra sensores MQ-5 y KY-026, actuadores, ESP DevKit Go32 para el procesamiento y transmisin de datos y comunicaciones MQTT para detectar fugas y automatizar el cierre de hornillas en cocinas domsticas; as como, notificar su estado, ya sea en condiciones habituales o ante la presencia de fugas, ayudando a reducir el riesgo de incidentes y optimizando la seguridad del hogar y el bienestar de quienes lo habitan. Como lo resalta Jahan et al. (2019), los sistemas basados en IoT que se utilizan para detectar fugas de gas han probado su eficacia al disminuir considerablemente los tiempos de respuesta en circunstancias de emergencia, incrementando de esta manera la seguridad en viviendas.

II.              Marco terico

Minerva et al. (2015) precisan que el Internet de las Cosas (IoT) constituye un universo conformado por diversas reas tecnolgicas y mbitos socioeconmicos, que incluye tanto sistemas reducidos y delimitados como aquellos distribuidos a gran escala o implementados a nivel global. Este enfoque se centra en la interconexin de elementos fsicos y virtuales mediante desarrollos tecnolgicos avanzados para la obtencin y transmisin de datos, con el objetivo de ofrecer servicios considerados inteligentes y autnomos. Dichos servicios permiten la autoconfiguracin, interoperabilidad y, sobre todo, la gestin segura de datos y privacidad mediante protocolos estandarizados y compatibles, que han transformado la manera en la que se percibe y se interacta con el entorno.  En este contexto, el IoT posibilita mltiples aplicaciones y enfoques diversos segn su uso. En la actualidad, la vida cotidiana del ser humano est cada vez ms ligada a sistemas inteligentes y a su integracin en la arquitectura y concepcin de los espacios habitables, lo que ha dado lugar al concepto de domtica. Este concepto, definido por Haya et al. (2015), hace referencia a un conjunto de tecnologas diseadas para automatizar y controlar distintos sistemas dentro de una vivienda, como la iluminacin, la climatizacin, la seguridad y los electrodomsticos, mediante dispositivos inteligentes que pueden ser operados tanto local como remotamente. En este sentido, Arroyo (2020) destaca que la domtica aplicada favorece la eficiencia energtica, ya que sus principales beneficios se enfocan en mejorar la accesibilidad, comodidad y seguridad. Por su parte, Pinzn (2021) subraya que la evolucin de la domtica responde a una bsqueda constante de confort. En consecuencia, se puede sostener que la domtica aporta de manera notable al bienestar y la seguridad de las personas, al tiempo que garantiza confort tanto dentro como fuera del hogar, al permitir la supervisin en tiempo real de los sistemas interconectados y comunicados a travs de internet. Esto es posible gracias a la infraestructura variada que proporciona el IoT. Adems, este desarrollo tecnolgico, mediante la automatizacin, posibilita una respuesta automtica ante determinadas condiciones. Por ejemplo, un sistema domtico puede ajustar de forma automtica la temperatura segn la ocupacin detectada o encender las luces al anochecer mediante dispositivos interconectados en red (Minerva et al., 2015).

En este marco, es importante destacar tambin el rol que desempea la automatizacin dentro de la estructura de la domtica y, por ende, del IoT. Segn Kumar y Singh (2021), la automatizacin implica la utilizacin de sistemas controlados por computadora para llevar a cabo tareas que anteriormente requeran intervencin humana, lo que incrementa la eficiencia y reduce los costos operativos. Esta definicin coincide con la propuesta de International Business Machines (IBM), que considera la automatizacin como un proceso que demanda poca intervencin por parte del ser humano. Por otro lado, Brahimi y Khemiri (2018) enfatizan que la automatizacin es esencial para ejecutar tareas repetitivas y complejas de manera eficiente, lo cual se complementa con lo expuesto por Zhang y Wang (2019), quienes subrayan que la automatizacin incrementa tanto la eficiencia; as como, el nivel de calidad en los procesos. Otro aspecto relevante dentro de los sistemas basados en IoT y domtica es la comunicacin entre los elementos, lo cual implica estructurar una red que facilite el flujo de informacin y permita definir el protocolo adecuado para la transmisin de datos. Uno de los protocolos ms utilizados en estas aplicaciones es el Message Queuing Telemetry Transport (MQTT), caracterizado por su ligereza y capacidad para operar en redes con recursos limitados (Baylmş et al., 2022). De acuerdo con Chafla y lava (2024), la integracin del protocolo MQTT en los sistemas de deteccin de gas permite una comunicacin efectiva entre los sensores y las aplicaciones, asegurando una transmisin de datos eficiente. Su aplicacin principal se sita en el mbito Machine to Machine (M2M), con una arquitectura de cliente (publicador o suscriptor) y servidor (broker), y se ejecuta sobre el protocolo Transmission Control Protocol (TCP) / Internet Protocol (IP), utilizando una topologa de tipo PUSH/SUBSCRIBE (Gonzlez Domnguez, 2023). Yahaya et al. (2020) destacan, por otro lado, el uso de sensores como los MQ-5, que, junto con controladores como NodeMCU y ESP32, han sido fundamentales en la incorporacin de sistemas IoT para la deteccin de gas. Estos dispositivos permiten la transmisin de informacin mediante redes WiFi para alertar eficazmente a los usuarios a travs de dispositivos mviles. En relacin con los sensores de la serie MQ, Shelke et al. (2020) afirman que tanto los sensores de deteccin; as como, los de flama proporcionan una alta precisin y permiten detectar en tiempo real, lo que los hace componentes clave en aplicaciones enfocadas en la seguridad domstica.  De igual forma, el uso de herramientas como Node-RED para programar la conexin entre dispositivos de hardware, APIs y servicios en lnea, junto con Firebase, que se utiliza como plataforma en la nube para crear aplicaciones web y mviles, ha simplificado la creacin de interfaces para la gestin de sistemas IoT. Segn Yahaya et al. (2020), estos tableros de control no solo mejoran la interaccin del usuario con el sistema; sino que, tambin optimizan la capacidad de respuesta ante alertas en tiempo real. En cuanto a los sistemas de deteccin de gas, Trisnawan et al. (2019) sealan que, mediante la implementacin y configuracin de sensores de la serie MQ2, se espera que los resultados de precisin alcancen el 80% considerando de 0-10 cm de distancia desde el sensor de gas hasta el punto de fuga; por tanto, el uso de estos sensores en el entorno domstico puede contribuir de manera positiva en la deteccin y reduccin frecuencia de accidentes relacionados con fugas de gas. Adems, existen propuestas complementarias para sistemas de monitoreo, como la de Hernndez y Quishpe et al. (2023), las cuales integran el envo de notificaciones a travs de mensajes de texto dentro de su propuesta. Asimismo, la revisin de documental referente al IoT ha evidenciado la incorporacin de desarrollos adicionales en sistemas similares. Entre estos sobresalen las investigaciones recientes de Barkani et al. (2024), quienes analizaron mtodos de aprendizaje automtico para la deteccin temprana de fugas de gas, con una precisin de prueba del 91,73 % con altas tasas de recuperacin, lo que garantiza un mnimo de falsas alarmas y una deteccin fiable. De forma adicional, Salhi et al. (2019) emplearon mtodos de minera de datos para detectar variaciones anmalas en la calidad del aire, lo que permiti una identificacin temprana de posibles riesgos de incidentes. Mientras que, Jahan et al. (2019) crearon un prototipo de estufa inteligente que combina deteccin de fugas con sistemas de alerta, mejorando la seguridad y la eficiencia energtica, al convertir el calor producido por la hornilla en energa reutilizable que se almacena y alimenta al propio sistema.

III.           Metodologa y Clculos

Este proyecto se desarroll bajo una metodologa de investigacin tecnolgica aplicada, orientada a la mitigacin de riesgos por fugas de gas en entornos domsticos. Este enfoque permiti el diseo y desarrollo de un sistema que combina soluciones adecuadas y econmicas para el monitoreo y control de fugas en cocinas domsticas o incidentes ocasionados por personas que olvidan las hornillas encendidas cuando salen de casa. El sistema se compone de sensores MQ-5 por la efectividad y eficiencia demostrada en sistemas de deteccin de gas licuado de petrleo (GLP) (Okokpujie, I. et al, 2024). Tambin, se incluyen sensores KY-026 para detectar presencia de llama en las hornillas considerando sus puntos fuertes como capacidad de regulacin e indicador led de funcionamiento, adems de su capacidad para conectarse tanto a pines digitales como analgicos (Tipantiza Pacheco, 2022). Estos son gestionados por un ESP32 DevKit GO32, el cual ofrece conectividad WiFi y dispone de 38 pines que permiten integrar diversos componentes.  El controlador a su vez enva la informacin a la Raspberry Pi 3b+ por medio del protocolo MQTT, de tal forma que se la pueda reflejar en un dashboard local implementado en Node-Red, junto con una base de datos local que mantenga los datos importantes almacenados. Adicionalmente, Node-Red permite la comunicacin con Firebase para transmitir los datos en tiempo real hacia la App mvil de Mit AppInventory2, o como alternativa se puede acceder al dashboard, mediante ngrok el cual funciona como un proxy inverso (servidor que se sita delante de los servidores web y reenva las solicitudes del cliente) distribuido de manera global que protege, acelera y asegura aplicaciones o servicios y sirve como una puerta de enlace para la visualizacin del dashboard. Por ltimo, en caso de que se emita una alerta, la programacin del controlador permitir activar de forma automtica los actuadores (servomotores MG966R), los cuales proporcionan la fuerza requerida para cerrar las hornillas (vase figura 1).

Figura 1

Diagrama de bloques del funcionamiento del sistema

Nota. La imagen muestra el flujo general del proceso del proyecto.  Fuente el autor, ao 2024.

En cuanto al proceso realizado, empleando el software Arduino IDE, se realiz la calibracin del sensor MQ-5; para ello, se implement el cdigo que permiti recolectar los datos del sensor de gas, para -con base en estos- calcular el promedio de las lecturas realizadas por perodos de tiempo hasta encontrar valores que se muestran estables; estas mediciones se realizaron a diferentes intervalos de tiempo en un ambiente libre de gas. El resultado obtenido se emple como base para definir el umbral de deteccin de fuga de GLP; es decir que, cuando se excede el umbral, de manera automtica se enva una alerta al dashboard y a la aplicacin; y, se activa el cierre automtico de las hornillas de la cocineta.  Asimismo, se configur el sensor KY-026, a fin de que permita reaccionar a la presencia de la llama en la hornilla, permitiendo que se enve una notificacin tanto al dashboard como a la aplicacin mvil. En este sensor se establecieron dos estados, el Apagado = 0, cuando no se detecta llama en la hornilla; y, el Encendido = 1, cuando existe presencia de ella. Adicionalmente, se realiz la calibracin por medio del potencimetro integrado en el sensor, de tal manera que permite controlar la distancia de deteccin de manera efectiva. En cuanto a la parte fsica, se procedi con la modificacin de la cocineta, considerando las seguridades necesarias para evitar fugas imprevistas en la tubera de la cocineta y el espacio requerido para los actuadores. Por lo tanto, se reemplaz el tubo de circulacin del gas para proporcionar el espacio necesario para el accionamiento de los servomotores. Para transmitir el movimiento de los servos hacia las vlvulas de las hornillas, se fabricaron dos pequeos acoples, asegurando el ajuste necesario para evitar que los servomotores se vean forzados, descentrados o se pierda la fuerza necesaria para cumplir su objetivo. Seguidamente, se configur una red local tomando en consideracin las IPs fijas en los dispositivos ESP DevKit Go32, la Raspberry y la PC de pruebas; para ello, se emple un router como extensor de seal, la topologa empleada fue de ҇rbol, con un rango de IPs, clase C y su mscara de red correspondiente, facilitando la comunicacin y el funcionamiento del protocolo MQTT; as como, el flujo de informacin entre los elementos del sistema (Ver figura 2.). Mientras que, el Broker MQTT y la base de datos fueron instalados en la RasberryPi 3b+, como servidor central y distribuyendo la informacin hacia Firebase Real Time Database. Por ltimo, se desarroll la aplicacin mvil en MitAppInvetory 2, a fin de que permitiese controlar de manera remota el accionar del cierre de las hornillas adems de recibir las notificaciones del estado de la llama; as como, tambin los valores de las lecturas de los sensores MQ-5 en tiempo real. El acceso a esta aplicacin mantiene la seguridad para su uso mediante el Ingreso/Registro por correo electrnico, de tal forma que, son usuarios registrados quienes la pueden manipular.

Figura 2

Diagrama de conexiones del proyecto

Nota. Se muestra el flujo de datos y las interconexiones entre los diferentes componentes.  Fuente el autor, ao 2024.

Para la implementacin del sistema, se tom en consideracin aspectos como la calibracin de sensor MQ-5, empleando la siguiente formula:

(1)

 

(2)

Al aplicar las frmulas, empleando cdigo en Arduino IDE, se obtuvieron lecturas promedio de 622 partculas por milln (ppm) en condiciones libres de GLP, volvindose un factor de correccin. Por otra parte, el rango inferior de deteccin de la hoja de datos del sensor MQ-5 establecido en 300 ppm, sirvi lmite para notificacin de fuga de gas y cierre automtico de las hornillas. Por lo tanto, la suma de los dos valores dio como resultado un umbral de 922 ppm.

En cuanto al clculo del torque de los servomotores:

El torque (T) se calcula como:

(3)

            

Donde:

F = Fuerza aplicada (en Newtons).

r = Distancia del brazo del servo al punto de aplicacin de la fuerza (en metros).

Puesto que el servo MG996R tiene un torque nominal de 0.92Nm, se constata que es adecuado para esta aplicacin.

Potencia Total del Sistema

(4)

 

(5)

 

Sensor MQ-5:

                                          (6)

Sensor KY-0.26:

                                               (7)

ESP32:
                                                                                (8)

Servomotor MG996R (considerado bajo carga completa):

                                                    (9)

Por lo tanto, la Potencia total, incluidos los dos servos sera:

       (10)

Para el ancho de banda necesario se consideran valores promedio de un string, de int o float en 8 bytes; y que, la cabecera de un mensaje de MQTT puede tener de 2 a 5 bytes; entonces se estima:

Para el sensor MQ-5:

Nombre del tpico = 10 bytes

Valor = 8 bytes

Sobrecarga del protocolo[1] = 2 bytes

Tenemos:

                                                      (11)

Para los sensores KY-026:

Nombre del tpico = 12 bytes

Valor = 8 bytes

Sobrecarga del protocolo = 2 bytes

Tenemos:

                                                      (12)

Para los servos MG996R:

Nombre del tpico = 12 bytes

Valor = 3 bytes

Sobrecarga del protocolo = 2 bytes

Tenemos:

                                                   (13)

En total:

                (14)

La frecuencia de transmisin por cada segundo implica un ciclo; es decir, 1Hz. Entonces, el ancho de banda por segundo ser:

(15)

 

                                                                                 (16)

 

Esto permite manejar mltiples sensores y actuadores dentro de una red local estndar, puesto que en redes locales con MQTT y WiFi, se espera una latencia tpica inferior a 100 ms. Sin embargo, esto implica una dependencia de la red WiFi, cuya aplicabilidad se ve limitada en reas de poca cobertura o entornos rurales; es por ello que, se puede considerar alternativas como el uso de redes LoRaWAN por su bajo consumo energtico y gran alcance (hasta 15km en reas rurales), aunque su latencia es superior a la de WiFi. As tambin, las redes Mesh son otra opcin a considerar, puesto que permiten alta fiabilidad, debido a la redundancia y resiliencia que ofrece la composicin de varios nodos y su acceso central, que pueden actuar en bandas 2.4GHz y 5GHz, con tecnologas de WiFi 5 y WiFi6. Estas dos opciones amplan la aplicabilidad en distintos contextos geogrficos y socioeconmicos. Con base en la literatura para concentraciones habituales de GLP y metano, se estima la distancia ideal entre 0.75 y 1 m, de la cocineta para el MQ-5; y, el rango de deteccin de 20 a 30 cm, para el KY-026, considerando que es necesario situarse alejados de fuentes de calor intenso y corrientes de aire para prevenir errores en las lecturas del sensor de gas. En cuanto a la capacidad del ESP32 DevKit GO!32, ste puede manejar mltiples dispositivos (sensores, actuadores) en funcin del nmero de pines GPIO disponibles y del mtodo de conectividad; por tanto, brinda una mejor escalabilidad y su memoria permite manejar conexiones MQTT simultneas, pudiendo soportar las conexiones requeridas por el sistema (Ver figura 3). Especificaciones tcnicas ESP32 DevKit GO!32: Mdulo ESP32-WROOM-32, 38 pines, Conector USB tipo C., Dispone de un LED en GPIO2 para pruebas, Corriente en modo sleep inferior a 5 uA., Frecuencia de reloj de 80 MHz a 240 MHz., Conectividad WiFi: 802.11 b/g/n., Conectividad Bluetooth: v4.2 BR/EDR y BLE., Interfaz SD, Ethernet, PWM, UART, SPI, I2S e I2C., Utiliza el conversor USB-Serial CH340., Modos de operacin: STA / AP / STA+AP., Compatible con Arduino IDE, Micro Python, Visual Studio Code., Dimensiones aproximadas: 55x27 mm.

 

Figura 3

Diagrama de conexiones de los elementos electrnicos.

Nota. La imagen representa la conexin de los sensores MQ-5 y KY-026 a la placa de desarrollo ESP32 DevKit Go32; as como, los servomotores MG996R y sus pulsantes. (Proteus Software) Fuente: el Autor 2024.

 

La configuracin del sistema propuesto demuestra que, sus costos son asequibles y se los detalla en la Tabla 1. Clculo de Costos.

 

Tabla 1.

Clculo de costos de ejecucin del proyecto

Recurso

Cantidad

Precio por unidad

Precio Total

Raspberry Pi 3 Kit Pro

1

$ 100,00

$ 100

ESP Dev Kit Go32

1

$ 11,00

$ 11

MQ-5

2

$ 6,75

$ 14

KY-026

2

$ 3,00

$ 6

Servomotor MG996R

2

$ 13,00

$ 26

Piloto de encendido

1

$ 17,00

$ 17

Tubo de hierro (30 cm)

1

$ 5,00

$ 5

Vlvulas de gas

2

$ 5,00

$ 10

Pulsador

1

$ 0,50

$ 1

Cable

4

$ 1,25

$ 5

Router D-Link N300

1

$ 19,00

$ 19

Cocineta

1

$ 10,00

$ 10

Soldadura

1

$ 10,00

$ 10

Cemento epxico

2

$ 3,00

$ 6

Soportes

2

$ 3,00

$ 6

Varios

1

$ 10,00

$ 10

Implementacin (120 horas)

80

$ 2,50

$ 200

Total

-

-

$ 453

Nota. Fuente: el autor. 2025

IV.           Resultados

Las calibraciones de los sensores MQ-5 se ajustaron en funcin de los 100 valores tomados del monitor serial, obteniendo una sensibilidad ideal entre 900 y 950 ppm; bajo esos parmetros de las 33 lecturas realizadas, 32 dieron valores positivos demostrando una eficacia del 97%, en la identificacin de GLP, logrando el resultado deseado sobre la deteccin de fujas de GLP en las hornillas, con un costo del proyecto de $453, en relacin a Guamn et al. (2020) que realizaron un diseo de un sistema de control para la deteccin y prevencin de fugas de gas (G.L.P), en el cantn La Man, con un presupuesto de $349,60, que incluye notificacin mediante llamadas, mensajes de texto y un panel de visualizacin directa de valores. As tambin, Vilaez et al. (2019), en su implementacin de un prototipo de sistema de seguridad domstico basado en WPAN para una red IoT, propusieron un costo del prototipo de $643,25, en el cual la deteccin de gases es solo una parte del enfoque del proyecto; sin embargo, utiliza un aparataje similar al de los sistemas anteriormente mencionados.

Existen tambin prototipos enfocados a la deteccin de gas natural, como lo indica Coqueco (2023), con un costo aproximado de proyecto de $821,21. Todos estos proyectos han reafirmado la efectividad de este tipo de sistemas por valores superiores al 90 %, llegando incluso a considerarse una efectividad del 100 %, como lo seala Arias (2023) en su implementacin Sistema de monitoreo y alerta de fuga de gas licuado de petrleo dentro de un domicilio para evitar accidentes debido a su concentracin.

El sensor KY-026, de las 25 pruebas realizadas, 24 fueron correctas, mostrando una eficacia de del 96% en la identificacin de hornillas encendidas a una distancia de hasta 20 cm. De tal modo que,

(17)

Donde:

       P = proporcin de xito (0.96)

       Z= es el valor Z para un nivel de confianza (1.96 para el 95%)

       n = nmero de repeticiones (25)

                                                                                     (18)

                                                                                                                    (19)

Obteniendo el intervalo de Confianza del 95%, entre [0.8832, 1.0368] o [88.32%, 100%].

En cuanto al tiempo de respuesta, el sistema mostr una gran consistencia en las 25 repeticiones realizadas. La media del tiempo de reaccin fue de 2 segundos aproximadamente, con una variacin en el rango de 1.8 a 2.2 segundos por prueba.

El clculo, segn la frmula 17 demuestra que, con un 95% de confianza, el tiempo de respuesta promedio real del sensor se encuentra en el rango de 1.95 a 2.05 segundos.

 

 

Figura 4

Tiempo de respuesta del sistema.

Nota. La imagen muestra las mediciones del tiempo entre la detencin y el cierre de la hornilla.  Fuente el autor, ao 2024.

Este resultado valida las afirmaciones originales y proporciona un respaldo cuantitativo a la alta precisin y consistencia del sensor. De esta manera, se redujeron las alarmas falsas desde que se dio la deteccin del gas hasta que se cerraron las vlvulas; adems, la modificacin del conducto de gas de la cocineta result correcta ajustndose al giro de los servomotores; del mismo modo, se calibr la graduacin del giro entre 0 y 154, para la primera hornilla; y, de 0 a 135, para la segunda; en cuanto al flujo en Node-RED, se cumpli con el objetivo de sincronizar informacin, monitorear y permitir el cierre de las hornillas; tambin transmiti en tiempo real entre sensores, el dashboard y Firebase. De igual forma, permiti almacenar los eventos ms importantes en la base de datos local. Por otra parte, la aplicacin mvil respondi segn lo esperado permitiendo el cierre de las hornillas, el monitoreo y recepcin de alertas. De esta manera, se confirm la fiabilidad de las comunicaciones mediante el protocolo MQTT, pues se logr una transmisin de datos aproximada al 100% de efectividad, en una red local estable con una latencia promedio de 64ms; esto asegur respuestas rpidas en la deteccin de gas y cierre de vlvulas, gracias a la conexin de fibra ptica de 250 megas.

V.              Conclusiones

La implementacin del sistema result innovadora y opcin de bajo costo y eficaz considerando un ambiente estable, lo que puede generar una la reduccin de los riesgos asociados a las fugas de GLP en cocinas, otorgando la capacidad de reaccionar de forma inmediata y permitiendo operarlo de manera remota, lo que incrementa de manera significativa la seguridad en ambientes residenciales y su posible adaptacin en cualquier entorno domstico. Sin embargo, al haberse probado en un entorno estable, los resultados obtenidos podran no reflejar completamente las condiciones reales en diversos contextos domsticos. Asimismo, las variaciones en el diseo de las cocinas, los materiales utilizados en la construccin y los sistemas de ventilacin pueden influir en la exactitud de los sensores y en el desempeo del sistema. Por ello, se recomienda para estudios futuros el efectuar ensayos en un rango ms diverso de entornos domsticos para lograr una validacin ms robusta del sistema e inclusive considerar otros tipos de sensores como los de humedad o deteccin de humo y, adems, implementar algoritmos de correccin que permitan anticipar posibles fugas de gas antes de que ocurran. Por otra parte, a pesar de que el monitoreo y el control a distancia contribuyen significativamente a la seguridad en el hogar, la necesidad de una conexin WiFi estable contina siendo un factor crtico, lo que podra convertirse en una limitacin en reas con acceso restringido a una red. Para mitigar este inconveniente, se podra integrar en futuras investigaciones tecnologas de comunicacin alternativas como LoRaWAN o redes mesh, que aseguren redundancia y mayor tolerancia a fallos. Esto ampliara la aplicabilidad del sistema a contextos rurales y socioeconmicamente diversos brindando una conexin ms segura en zonas con baja cobertura e integrar fuentes de energa renovable para alimentar el sistema, favoreciendo su sostenibilidad. De la misma manera, es importante considerar el correcto aislamiento en las instalaciones elctricas - electrnicas en la cocina, puesto que pueden generar que se detengan o que haya bloqueos de los elementos del sistema; esto incluye la presencia de otros dispositivos electrnicos en la cocina, como microondas, licuadoras o extractores de aire que podra causar interferencias electromagnticas que afecten la comunicacin entre los sensores y el controlador, lo cual podra resultar en lecturas incorrectas o fallos en la automatizacin del cierre de las hornillas; por lo tanto, es necesario en investigaciones futuras trabajar en cmo aislar este tipo de interferencias a fin de evitar el mal funcionamiento del sistema.

Finalmente, si bien es cierto el sistema de deteccin de fugas de gas GLP mostr su validez y eficiencia inclusive en la respuesta automtica, aspectos como la durabilidad y el mantenimiento de los sensores y actuadores podran influir significativamente en la fiabilidad del sistema a lo largo del tiempo, razn por la cual futuras investigaciones podran orientarse hacia estudios temporales que permitan medir el desgaste de los dispositivos y la periodicidad requerida para su mantenimiento y calibracin, puesto que este enfoque no fue considerado en el presente proyecto.

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[1] Entindase como la variacin en el nivel de Calidad de servicio (QoS), configuracin de conexin persistente o mltiples mensajes simultneos.