Water network: Aplicaci�n m�vil con tecnolog�a Arduino para la medici�n de presi�n y consumo del agua
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Martha Mart�nez Moreno[1] https://orcid.org/0000-0003-3793-6315 TecNM. Instituto Tecnol�gico de Toluca
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Daniel Alberto� Hern�ndez Castrej�n https://orcid.org/0009-0003-1376-1706 TecNM. Instituto Tecnol�gico de Toluca |
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Jovanny Cervantes Honorato https://orcid.org/0009-0008-3456-5612 TecNM. Instituto Tecnol�gico de Toluca
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Mar�a Luisa G�mez Santamarina https://orcid.org/0009-0004-0065-3244� TecNM. Instituto Tecnol�gico de Toluca |
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Bel�n Gil Moreno https://orcid.org/0009-0000-5894-0431 TecNM. Instituto Tecnol�gico de Toluca Metepec -M�xico
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RESUMEN
El consumo de agua potable y el uso desmedido de este valioso recurso, trae como consecuencias el encarecimiento en el pago del l�quido e incluso las p�rdidas por fugas que pueden generarse ante la falta de control de forma particular y por parte de las instituciones responsables de su distribuci�n.
Como parte de un trabajo de investigaci�n durante la formaci�n profesional de estudiantes de la carrera de Ingenier�a en sistemas computacionales del Instituto Tecnol�gico de Toluca, estado de M�xico, nace la propuesta de creaci�n de un producto denominado Water Network, cuyo objetivo es utilizar tecnolog�a para el desarrollo de una aplicaci�n m�vil, interconectada a un dispositivo electr�nico Arduino como sensor que permita la medici�n de presi�n y p�rdidas en las tomas de agua potable. Disminuyendo as� la p�rdida del vital l�quido y la medici�n precisa del consumo de agua.
Palabras clave: Sensor, Arduino, aplicaci�n m�vil, consumo de agua, presi�n
Water network: Mobile application with Arduino technology for the measurement of pressure and water consumption
ABSTRACT
The consumption of drinking water and the excessive use of this valuable resource, brings as consequences the increase in the payment of the liquid and even the losses due to leaks that can be generated due to the lack of control in a particular way and by the institutions responsible for its distribution.
As part of a research work during the professional training of students of the Computer Systems Engineering career of the Technological Institute of Toluca, state of Mexico, the proposal for the creation of a product called Water Network was born, whose objective is to use technology for the development of a mobile application, interconnected to an Arduino electronic device as a sensor that allows the measurement of pressure and losses in drinking water intakes. Thus reducing the loss of vital liquid and the precise measurement of water consumption.
Keywords: Sensor, Arduino, mobile application, water consumption, pressure.
Art�culo recibido 25 febrero 2023
Aceptado para publicaci�n: 25 marzo 2023
INTRODUCCI�N
En M�xico, alrededor de 12 millones de personas padecen de acceso al agua potable. En cuanto a acceso a saneamiento en M�xico 24 millones carecen de alcantarillado. Adem�s, hay una gran cantidad de cuerpos de agua, superficiales y subterr�neos, muy contaminados, seg�n la Comisi�n Nacional del Agua (CONAGUA), la industria y la agricultura son las responsables de la mayor�a de los contaminantes generados y menos de 25% del agua residual que se vierte a r�os y lagos es tratada (Ravelo, 2014). Aunado a esto los sistemas de distribuci�n de agua en M�xico carecen de una infraestructura en �ptimas condiciones lo que ha venido provocando que se originen fugas dentro de la red, esto se traduce en p�rdidas de recurso (Salazar, 2010). A lo largo del tiempo se han implementado medidores de consumo en las tomas de servicio, pero estos solamente miden la cantidad de agua que entra hacia el usuario, pero no proporciona la capacidad de detectar las fallas en la red por flujos inusuales.
En la meg�polis Cuidad de M�xico el abastecimiento y la distribuci�n del agua para el consumo urbano e industrial, tratamiento de aguas residuales y desalojo de aguas pluviales, configuran grandes desaf�os para la pol�tica hidr�ulica (Carre�n, 2012).
Aunque la mayor parte de la poblaci�n se encuentra conectada a la red de distribuci�n del agua 75.6% manifiestan que existe desabasto de agua. Las descargas de aguas contaminadas de origen dom�stico, industrial y agr�cola en los cuerpos de agua superficiales y la infiltraci�n a los acu�feros subterr�neos, han venido degradando la calidad de las aguas utilizadas por la poblaci�n para cubrir las necesidades. (Duran Juarez,2006),
La red de distribuci�n es la parte del sistema de abastecimiento de agua potable, por medio de la cual el agua llega desde el lugar de captaci�n al punto de consumo en buenas condiciones, tanto en calidad como en cantidad (Volantin, s.f.).
Su operaci�n depende de la cuidadosa selecci�n de los materiales utilizados, la mano de obra calificada, el cumplimiento de las especificaciones de construcci�n y una buena supervisi�n de la ejecuci�n del trabajo.
La administraci�n de la distribuci�n de agua potable presenta varios problemas si se considera que no siempre se tiene la autonom�a para establecer el monto de las tarifas que se deben cobrar por el servicio de agua potable, el deterioro de la infraestructura hidr�ulica instalada y la existencia de un porcentaje significativo de la poblaci�n que no paga el servicio son factores que afectan a la red de distribuci�n de agua (Guerrero ,2009).
El presente trabajo de investigaci�n describe el proceso de construcci�n de un producto denominado Water Network a partir del dise�o e implementaci�n de un sistema de sensores utilizando tecnolog�a Arduino, que permita medir la presi�n del agua a trav�s de una toma, permitiendo al consumidor evitar propagaci�n de fugas, flujos inusuales y un cobro adecuado de su consumo.
En la actualidad la distribuci�n y abastecimiento de agua en los hogares han tomado gran importancia debido a la sobreexplotaci�n del recurso as� como su desaprovechamiento, cabe mencionar que al ser un recurso vital para la vida y el desarrollo humano, es necesario que los sistemas de distribuci�n y tratamiento de agua se encuentren en �ptimas condiciones en cuesti�n de infraestructura; �sta es mantenida mediante el cobro por uso del recurso el cual en estos momentos no se encuentra regulado con una tarifa establecida por la comisi�n de agua potable y alcantarillado.� La medida de presi�n del agua es importante para la humanidad, as� como el empleo de t�cnicas eficientes de medici�n y de control (Arreguin, 1991).
La implementaci�n de este sistema (Water Network) permite medir y enviar la informaci�n de la distribuci�n y presi�n del agua que llega a la toma de los hogares mediante los sensores instalados, permitiendo el pago justo por uso de servicio, adem�s de llevar un control en el consumo.
Materiales y M�todos
Para realizar esta investigaci�n se emplearon diversas t�cnicas para la recopilaci�n de informaci�n. Previo a este informe se logr� la obtenci�n de datos estad�sticos sobre el consumo que tiene la poblaci�n sobre el servicio de agua. Adem�s de una investigaci�n transversal: la cual se pudieron comparar los diversos factores que pueden afectar la distribuci�n del agua como lo son el terreno, el clima, la longitud hacia la toma principal, entre otras (Rodr�guuez, 2018). Y por �ltimo el desarrollo de una investigaci�n cualitativa: la cual llev� al desarrollo de una aplicaci�n m�vil que permite la medici�n de consumo y presi�n del agua de tomas de uso com�n en viviendas, tomando como prototipo una maqueta y el uso de tecnolog�a Arduino para identificar fugas y medidas a utilizar en la aplicaci�n m�vil para que el usuario tenga la mejor experiencia de uso y consumo.
Herramientas:
- Arduino y placa
Es una plataforma de creaci�n de electr�nica de c�digo abierto, la cual est� basada en hardware y software libre, flexible y f�cil de utilizar para los creadores y desarrolladores (Herrado, 2009).
La placa Arduino est� basada en un microcontrolador ATMEL (Ilustraci�n 1). Los microcontroladores son circuitos integrados en los que se pueden grabar instrucciones, codificadas en un lenguaje de programaci�n (Arduino 2016).
Ilustraci�n 1 - Placa Arduino
Recuperado de: http://sterenlatam.com/_imgs/_imgs/prod/jumbo/ard-010.jpg
- Caudal�metro
Un caudal�metro (Ilustraci�n 2) es un sensor que permite medir la cantidad de agua que atraviesa una tuber�a (Llamas, 2016).
Ilustraci�n 2 - Caudal�metro
Recuperado de: https://http2.mlstatic.com/D_NQ_NP_981015-MLA31063129912_062019-F.jpg
- Spring Framework
Es un framework Open Source que facilita la creaci�n de aplicaciones de todo tipo en Java, Kotlin y Groovy (Spring, 2022). Para el desarrollo de la aplicaci�n Water Network se utiliza el Framework Spring, el cual ayuda que programar Kotlin sea r�pido, �gil y con mayor seguridad. En el sistema se utiliza el uso del caudal�metro el cual permite conectarse a un procesador como Arduino para obtener la medici�n del sensor.
- PostgreSql
Es un sistema de gesti�n de bases de datos relacionales de objetos (ORDBMS) (PostgreSQL, 2022). El cual se usa como gestor de base de datos y ofrece consultas complejas, disparadores, vistas actualizables e integridad transaccional.
- Azure
La plataforma Azure est� compuesta por m�s de 200 productos y servicios en la nube. En este se crea, ejecutan y administran aplicaciones en varias nubes, en el entorno local y en el per�metro, con las herramientas (Azure, 2022), permite compilar, implementar y administrar en una red global de centros de datos de Microsoft.
- Android Studio
Es el entorno de desarrollo integrado (IDE) oficial para el desarrollo de aplicaciones para Android y est� basado en IntelliJ IDEA (Android Developers, 2022), para el desarrollo de aplicaciones m�viles, adem�s ofrece un sistema de compilaci�n flexible, emulador r�pido y cargado de funciones e integraci�n con GitHub.
M�todos
- Programaci�n de aplicaci�n m�vil
Para el desarrollo de la aplicaci�n m�vil se utiliz� la herramienta Android Studio, se utiliza ScrollView para que el usuario pueda desplazarse a trav�s de los componentes dentro de un Activity (Ilustraci�n 3).
Ilustraci�n 3. ScrollView
Para enviar los datos de registro, se desarroll� el c�digo presentado en la ilustraci�n 4 para agregar usuarios en la aplicaci�n.
Ilustraci�n 4. Registro
Para la medici�n de agua, se utiliza un objeto Gauge (Ilustraci�n 5).
Ilustraci�n 5. Medici�n
Activity donde muestra la interfaz principal desarrollada para el registro de usuario e inicio de sesi�n (Ilustraci�n 6).
Ilustraci�n 6. Registro usuario
Para la medici�n de presi�n fue necesario crear el objeto Gaude para la representaci�n del consumo del agua como un medidor, el cual se aportan diferentes caracter�sticas, como el rango, los colores, el valor inicial, el valor final y el valor m�ximo (Ilustraci�n 7).
Ilustraci�n 7. Consumo
Tambi�n se realiza el c�lculo de las mediciones que nos arroja el caudal�metro, tomando en cuenta la frecuencia y nuestro factor de conversi�n, posteriormente se arma la parte faltante de nuestra cadena de conexi�n la cual se env�a a nuestra petici�n HTTP POST, ver ilustraci�n 8.
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Ilustraci�n 8. Sensores y medici�n
Aqu� se define nuestro factor de conversi�n, este se determina de las especificaciones t�cnicas de nuestro caudal�metro y puede variar seg�n el modelo, ilustraci�n 9.
Ilustraci�n 9. Conversi�n
Para la construcci�n de la maqueta del sistema de medici�n y control de agua Water Network, se integr� Arduino mega, junto con los sensores caudal�metros el cual permite conectarse con el mismo para obtener la medici�n del sensor (Ilustraci�n 10).
Ilustraci�n 10. Maqueta
Para la llamada de los datos a trav�s un texto en JSON el cual se encuentra en una API, se utiliza la URL base de la aplicaci�n Water Network. Ver ilustraci�n 11.
Ilustraci�n 11. Conexi�n a la URL de la aplicaci�n
En la ilustraci�n 12 se muestra el end point el cual ser� utilizado trav�s de una red a la que est� conectado el sensor. Este se encuentra en el servidor de Microsoft Azure.
Ilustraci�n 12. End point
Resultados y Discusi�n
El producto final queda definido de la siguiente manera, como se puede observar en la Ilustraci�n 13, la API recibe la informaci�n que el usuario final ingresa al momento de realizar el registro, esta informaci�n que recibe la API la env�a hacia la base de datos, de la misma manera recibe informaci�n por parte del microcontrolador Arduino esto lo hace mediante peticiones POST, y los datos obtenidos del Arduino los muestra al usuario final por medio de peticiones GET. Cabe destacar que para la comunicaci�n entre la base datos y la API se realiza a trav�s de controladores REST como GET, POST, PUT y DELETE, tomando como referencia la domotizaci�n de procesos (L�pez-Tarruella, 2018).
Ilustraci�n 13. Diagrama de funcionamiento
Una vez ingresados las credenciales requeridas para el usuario como el registro de su cuenta y contrase�a, se podr� consultar la informaci�n sobre la medici�n del estado y flujo del agua c�mo se muestran en ilustraci�n 14.
Ilustraci�n 14. Medici�n de presi�n
Al realizar las pruebas del producto, se aplic� una encuesta de satisfacci�n a usuarios, en la ilustraci�n 15 se muestran algunos resultados.
Ilustraci�n 15 encuesta de satisfacci�n
Conclusiones
El desarrollo de un producto de software en a trav�s de una metodolog�a de investigaci�n, en la que se detecta una necesidad imperante de un grupo de consumidores del vital l�quido, aunado al impacto que tiene el desperdicio del agua en zonas conurbadas, lleva a un estudio y an�lisis de tecnolog�as que permitan controlar, medir y reportar al usuario final, el consumo, presi�n y fugas de agua, para tomar decisiones en caso de que esto se refleje en su gasto o necesidad de mejora de sus tomas de agua. Adem�s de la aplicaci�n de conocimientos en el �mbito de la ingenier�a que se deben consultar e incluir para dichas mediciones y complementarlos con el desarrollo de una aplicaci�n m�vil utilizando sensores Arduino como apoyo para su funcionalidad. Se espera que instituciones de gobierno locales y estatales que est�n relacionados con el consumo y control del vital l�quido se interesen en implementar pol�ticas p�blicas de apoyo a este producto y del consumidor �(Bohoslavsky, 2010).
Lista de Referencias
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