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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