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SISTEMA DE ALERTA TEMPRANA PARA LA REDUCCIÓN DE RIEGOS DE INUNDACIONES, UTILIZANDO TECNOLOGÍA ARDUINO Y COMUNICACIÓN CON REDES DE DATOS PARA EL ÁREA DE LA CUENCA MEDIA DEL RÍO LEMPA. EARLY WARNING SYSTEM FOR THE REDUCTION OF RISKS OF FLOODS, USING ARDUINO TECHNOLOGY AND NETWORK COMMUNICATION OF DATA FOR THE MIDDLE BASIN AREA OF RIO LEMPA Celestino Hernández Master en Docencia Universitaria Investigador ­ Universidad de Oriente chernandez@univo.edu.sv Resumen en diseñar, un prototipo de sistema de alerta El Salvador es uno de los países más temprana para la reducción de riegos de vulnerables a riesgos en el mundo, según inundaciones, desde un primer análisis del informe presentado por el Ministerio del estado actual, especificación y diseño, hasta Medio Ambiente y Recursos Naturales llegar a la implementación, esto permitirá (MARN, 2017). El 88.7% del territorio se que, en esta zona, se tenga acceso a una considera zona de riesgo, superficie en la que estación que indique constantemente el nivel se asienta el 95.4% de la población. Según del río por medio de una interfaz simple y estadísticas, entre los años 1990 a 2014 se amigable. Por tanto, el producto final es un han dado el 86 % de pérdidas económicas y sistema de seguridad que permite producir 40 % de muertes por terremotos, el 10 % una alerta, activando una señal acústica, de pérdidas y el 27 % de muertes han sido generando una notificación a través de redes por inundaciones, 26 % de muertes han sido de comunicación de datos SMS, a la entidad por deslizamientos, 3 % por tormentas encargada de monitorear la zona de eléctricas y 4 % por otro tipo de desastres resguardo. (Mendoza, Laguan, & Rivas, 2017). Por esta razón, es necesario disponer de un sistema Palabras clave: Alerta temprana, Arduino, de alerta temprana para mejorar la capacidad GSM/GPRS SIM900, ultrasonido, alarma. de respuesta ante estos fenómenos y que alerten a los centros de monitoreo ante Abstract cualquier emergencia. La propuesta consiste El Salvador is one of the most vulnerable Universidad de Oriente 11 countries to risks in the world (MARN, incremento de la demanda y del consumo 2017). 88.7% of the country is considered a energético, la actividad industrial, la risk zone, an area in which 95.4% of the deforestación y la producción agrícola no population is housed. Between 1990 and controlada, esto causa un incremento de las 2014, 86% of economic losses and 40% of emisiones a la atmósfera de CO y metano, deaths were caused by earthquakes, 10% of los cuales son los principales gases de efecto losses and 27% of deaths were caused by invernadero causantes del cambio climático floods, and 26% of deaths were caused by (Miah & Gammack, 2009) citado por (Acosta landslides, 3% by electric storms and 4% by Coll, 2013, p. 303). other types of disasters (Mendoza, Laguan, & El diseño del sistema se llevó a cabo Rivas, 2017). Considering this context, it is siguiendo un método que facilita su necessary to have a system of early warning construcción, a través de un tipo de to improve the response capacity to any investigación tecnológica. Además, por su emergency from the monitoring stations. naturaleza The proposal consists of designing la investigación es también a aplicada, y el proyecto se centra en el prototype of an early warning system for desarrollo de un prototipo de sistema de reducing flood risks, analyzing the current alerta temprana para la reducción de riegos situation, specifying and designing it until it is de inundaciones, utilizando tecnología implemented; this will allow us to constantly Arduino y comunicación con redes de datos monitor the level of the river through a para el área de la cuenca media del Río simple and friendly interface. The final Lempa. product is a security system that allows La peculiaridad principal de este sistema es emitting an alert, by activating an acoustic que hace uso de una tarjeta Arduino UNO signal, generating a notification through SMS R3 que se comunica con una tarjeta GSM/ data communication networks to the entity GPRS SIM900 incrustada sobre ella, la cual permite manipular y accionar los diferentes in charge of monitoring the guard zone. actuadores conectados, y que permiten Keywords: Early warning, ricks and floods, alertar a los residentes en las riberas de las zonas que estarían siendo salvaguardados. Arduino technology, Rio Lempa. Esto permite que el costo del sistema sea Introducción El cambio climático es un problema de orden mundial, que impacta a nivel nacional y local, causado por diferentes factores, tanto naturales como antropogénicos tales como el 12 Universidad de Oriente bajo y que responda a las necesidades de seguridad ante los desastres naturales, como son las inundaciones. Uno de los objetivos principales de la investigación desarrollada fue construir un profesionales: los JSN-SR04T, ya que la sistema de alerta temprana para la reducción medición es efectiva y su calibración precisa y de riesgos tecnología de inundaciones, Arduino, que utilizando no se requiere de electrónica de adaptación, permita la con lo cual existe la posibilidad de agregar comunicación con redes de datos en especial cierto grado de error si se utilizan los SMS. sensores de laboratorio. Metodología de la investigación Resultados La investigación que se realizó fue de tipo tecnológico, que consiste sistemáticos basados en trabajos Propuesta de prototipo del sistema conocimientos de seguridad para interiores existentes, obtenidos mediante investigación El sistema de alerta temprana está formado y/o experiencias prácticas que se dirigen de por una tarjeta Arduino UNO R3 que se en nuevos materiales, productos o dispositivos, encarga del control lógico y de las establecer nuevos procesos, sistemas y operaciones de conversión del sensor; un servicios. Esto permite la mejora sustancial módulo GSM/GPRS SIM900, para la de trabajos ya existentes. Además, por su comunicación con la red GSM; un sensor de naturaleza, esta investigación es también ultrasonido JSN-SR04T de alta precisión y aplicada porque está sujeta en las aplicaciones una sirena de 12VDC; y la electrónica de y adaptación y protección de voltaje. En la macroprocesos, cuyo propósito fundamental Figura 1 se muestra el esquema de es dar solución a los problemas en el proceso funcionamiento del prototipo, con las de conocimiento teóricos a micros de aprendizaje (Murillo, 2008, Citado por unidades que coexisten e interactúan. Zoila Rosa Vargas Cordero) y a esto se orienta la investigación para dar soluciones Figura 1. Descripción conceptual del sistema prácticas a los seres humanos. Para dar respuesta efectiva a las instituciones de socorro y pobladores de la zona, se evaluaron dos tipos de sensores de ultrasonido: HC-SR04 y JSN-SR04T. Estos son de bajo costo para laboratorio, concluyendo pruebas de que la mejor opción para garantizar la efectividad del área protegida era la adquisición de sensores Fuente: Elaboración propia Universidad de Oriente 13 Equipos y Materiales: En esta sección se detallan los diferentes equipos y materiales que fueron utilizados para el desarrollo del prototipo del sistema de alerta temprana. Hardware Arduino UNO R3 Es la placa estándar y posiblemente la más conocida y documentada. Salió a la luz en septiembre de 2010 sustituyendo su predecesor Duemilanove con varias mejoras Equipos: Los equipos utilizados para el desarrollo del de hardware que consisten básicamente en prototipo de sistema de alerta temprana el uso de un USB HID propio, en lugar de utilizar un conversor FTDI para la conexión son: »Computadora Laptop, para la programación del USB. Es 100% compatible con los modelos sistema y carga del mismo a la tarjeta Arduino. »Una tarjeta Arduino UNO R3. »Una tarjeta GSM/GPRS SIM900, para la comunicación de mensajes a celulares. »1 Sensor JSN-SR04T. Duemilanove y Diecimila. Viene con un Atmega328 con 32Kbytes de ROM para el programa. Figura 2. Placa Arduino UNO R3 Materiales: Los materiales utilizados para el desarrollo del prototipo de sistema de alerta temprana, son los siguientes: Tabla 1. Materiales utilizados en el desarrollo del prototipo Cantidad Descripción Módulo Relé de 2 canales 5VDC 1 Módulo Relé de 1 canal 5VDC 1 Inversor de 30 Wats: 120 Vol. 1 Panel solar de 30 watts Policristalino 15 Jumper (macho­hembra) 1 Codo PVC 2 Metros de cable flexible calibre 12 AWG. SMS y GPRS. Es compatible con todas las 4 Metros de cable flexible calibre 22AWG. placas que tienen el mismo factor de forma 1 Regulador de carga 20Amp. 1 Bateria solar de 12 Vol. (Almacenamiento de energía) 1 Tubo PVC de 6 metros Fuente: Elaboración propia 14 Shield GSM/GPRS SIM900. 1 Universidad de Oriente El Shield GSM/GPRS le proporciona una manera de utilizar la red de telefonía celular GSM para recibir datos desde una ubicación remota, el GSM/GPRS 850/900/1800/1900 MHz ofrece servicios de señales de audio, (y pinout) como una placa Arduino estándar. Este escudo GPRS/GSM se configura y controla a través de su UART utilizando los comandos AT. Figura 3. Arduino Shield GSM/GPRS SIM900 para toda la electrónica encargada de hacer la medición. El funcionamiento del sensor es el siguiente: se emite un pulso de sonido (TRIG), se mide la anchura del pulso de retorno (ECHO), se calcula la distancia a partir de las diferencias de tiempos entre el Trig y Echo. Figura 5. Sensor de ultrasonido JSN­SR04T Módulos Relé Funciona como un interruptor controlado por un circuito eléctrico en el que, por medio de una bobina y un electroimán, se acciona un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes. Este tipo de Sirena módulos permite activar actuadores como Esta es la unidad sonora. A través de por ejemplo el de una persiana, la puerta del Arduino, esta unidad será capaz de controlar el sonido. Se utiliza en combinación con la garaje o el de una bombilla o una sirena. Figura 4. Relé de 1 y 2 Módulos placa Arduino y sensores, para lograr el control interactivo entre estos elementos. Con esta sirena electrónica SI-136 con 20 Watts de alta potencia, de fácil instalación y alta duración, se podrán tener 6 tonos de alerta para poder propagar el sonido de emergencia. Sensor de Ultrasonido JSN­SR04T Figura 6. Alarma de 12 voltios El sensor JSN-SR04T es un sensor de distancia que utiliza ultrasonido (sonar) para determinar la distancia de un objeto en un rango de 25 a 450 cm. Destaca por su pequeño tamaño, bajo consumo energético, buena precisión y especialmente por su Software resistencia al agua. IDE Arduino El sensor trabaja con ultrasonido y contiene Dado que el Arduino es como un pequeño Universidad de Oriente 15 ordenador que ejecuta una serie de códigos Montaje del circuito a través Fritzing que previamente se le han introducido, se El esquema de la figura 8, muestra los necesitará un programa para poder ingresar componentes eléctricos y electrónicos que estos códigos a la propia placa. Este forman parte del sistema de alerta temprana. programa se llama IDE, que "Integrated significa Las señales de control del sensor JSN-SR04T Development y los actuadores se conectarán a una fuente Environment" (Entorno de Desarrollo de energía proporcionada por un panel solar Integrado). de 30 Watts (reducida a través de otros Este IDE estará instalado en la PC, es un entorno muy sencillo de usar y en él escribiremos el programa que queramos que el Arduino ejecute. Una vez escrito, lo cargaremos a través del USB y Arduino comenzará a trabajar de forma autónoma. componentes a 12 Voltios); así también la placa Arduino será alimentada a través de una fuente de 5V, convertida de la fuente de 12 Voltios. Figura 8. Descripción del circuito montado del sistema diseñado El siguiente paso que se debe realizar será configurar nuestro IDE para que se comunique con la placa Arduino. Para ello conectaremos nuestro Arduino mediante el cable USB al PC, y después de que el sistema Fuente: Elaboración propia operativo haya reconocido e instalado la tarjeta automáticamente, nos dirigimos a la zona de menú, pulsamos en Herramientas y después en Tarjeta. Ahí seleccionamos el modelo de tarjeta Arduino que se tenga, en este caso "Arduino Uno". Figura 7. Interfaz de Arduino Prototipo del sistema de alerta temprana Río Lempa La figura anterior muestra la prueba final de laboratorio realizada utilizando un sensor de ultrasonido JSN-SR04T, de acuerdo a los resultados pudo observarse una medición más exacta; por lo tanto, es el sensor seleccionado para el prototipo final. 16 Fuente: Elaboración propia Universidad de Oriente Figura 10. Prueba final, prototipo del sistema de alerta temprana Río Lempa función. Código del método Setup void setup() { SIM900.begin(19200); delay(5000); pinMode(TRIGGER_PIN, OUTPUT); pinMode(ECHO_PIN, INPUT); pinMode(relay, OUTPUT); fuente: Elaboración propia Serial.begin(9600); Programación de la placa Arduino El código del programa desarrollado en el Arduino cuenta con dos Serial.println("OK"); //Mensaje OK en el arduino, para saber que todo va bien. delay(5000); partes } fundamentales: la inicialización (setup) y el bucle (loop). A continuación, se explica Función Loop La función del método loop que implementa detenidamente cada una de estas partes. Setup Arduino será recibir una serie de parámetros y órdenes del servidor o placa Arduino, La función setup () es llamada solo una vez, como pueden ser activar o desactivar la cuando comienza el sketch. Es un buen lugar alarma, o la configuración de sensores y para realizar tareas de configuración, como actuadores. definir los pines o inicializar bibliotecas. En el void loop() { prototipo esta parte será la encargada de la // Esperar 1 segundo entre mediciones inicialización del sensor JSN-SR04T que implementa el Arduino y de la carga de parámetros almacenados en la memoria del Arduino. Para saber cuál sensor hay en el delay(1000); // Obtener medición de tiempo de viaje del sonido y guardar en variable uS int uS = sonar.ping_median(); // Imprimir la distancia medida a la consola sistema, se almacena el pin donde está serial conectado para el tipo correspondiente. Para Serial.print("Distancia: "); saber las acciones que hay que realizar se // Calcular la distancia con base en una almacenan parejas de pines donde el primero constante es el sensor activo y el segundo el actuador que hay que activar. Al final con estos datos se inicializa el sistema y se configuran los diferentes pines del Arduino según su distancia = float(uS / US_ROUNDTRIP_CM); Serial.print(distancia); //Serial.print(uS / US_ROUNDTRIP_CM); Serial.println("cm"); if(distancia>=40) Universidad de Oriente 17 { SIM900.println((char)26); //Comando de Serial.println("Nivel de agua del rio presenta finalización de mensaje ^Z un peligro para la comunidad"); delay(100); //llamar(); SIM900.println(); digitalWrite(relay, HIGH); delay(5000); // Esperamos un tiempo para delay(1000); que envíe el SMS Serial.println("SMS enviado"); // turn off Serial.println("Relay accionado"); digitalWrite(relay, LOW); module sendSMS(); } } else Discusión { En el proceso de desarrollo del proyecto Serial.println("El nivel de agua del río no presenta un peligro para la comunidad"); digitalWrite(relay, LOW); Serial.println("Relay No accionado"); } realizado se tomaron en cuenta algunos sistemas existentes en la actualidad, los cuales, de alguna manera tienen similitudes, que abordan esta temática, en un momento precedente a esta investigación. Es muy } importante establecer algunas diferencias Enviar SMS entre el proyecto de investigación “Sistema Al realizar esta petición, la placa Arduino de alerta temprana para la reducción de buscará si existen los parámetros adecuados riegos de inundaciones, utilizando tecnología y correctos para analizar si es una instrucción Arduino y comunicación con redes de datos conocida. El siguiente fragmento de código para el área de la cuenca media del Río es el encargado de realizar esta acción: Lempa”, void sendSMS() precedentes, ya que se han considerado { muchos elementos diferentes, como por Serial.println("Enviando SMS..."); SIM900.print("AT+CMGF=1\r"); //Configura el modo texto para enviar o recibir mensajes delay(1000); SIM900.println("AT+CMGS=\"79155716\""); // Numero al que vamos a enviar el mensaje delay(1000); SIM900.println("Alerta, El Nivel de agua del rio está subiendo"); // Texto del SMS delay(100); 18 Universidad de Oriente respecto a otros proyectos ejemplo elementos, tales como: »Uso de sensores de distancia de ultrasonidos JSN-SR04T, que son más exactos que los Sensores de ultrasonido HC-SR04. »Para la alimentación de energía, se ha utilizado un sistema solar fotovoltaico, el cual alimenta al sistema con 5 y 12 Voltios, que son aquellos con los que trabaja Arduino, y algunos actuadores (por ejemplo, la sirena) respectivamente. comunicación tradicionales como la red de Concluido el trabajo de investigación y telefonía. Además, se reducen los costos de adquisición como de cumpliendo con el objetivo propuesto del tanto proyecto se ha logrado realizar el sistema de mantenimiento, porque continúa el auge y alerta temprana mediante el empleo de sutileza de este tipo de tecnologías basadas diferentes tecnologías de software libre. Una en microcontroladores. Muchos módulos de de las más importantes ha sido el uso del expansión, no se venden en tiendas de hardware Arduino. Este hardware ha sido electrónica en el país, pero existen empresas fundamental en la consecución del proyecto, que brindan el servicio de importar los ya que ha sido el cerebro que nos ha dispositivos y componentes requeridos. permitido poder interconectar el sensor y »Se diseñó y construyó un sistema darle funcionalidad al sistema, pudiendo electrónico de alerta temprana y monitoreo conectarlo a una tarjeta GSM/GPRS SIM900. del comportamiento del nivel del río Lempa, siendo este de bajo costo. Lo más relevante de esta investigación »Se define como fuente de alimentación una consistió en desarrollar un prototipo energía renovable para todo el sistema, diferente a otros, ya que únicamente para usando una batería de 12 Voltios del tipo normal que se carga mediante energía solar efectos de prueba de laboratorio se utilizó por medio de un sistema fotovoltaico. una batería de 12V a 4AH, luego, para el »Se utilizó un sensor de ultrasonido JSNprototipo final para alimentar de energía SR04T, por ser de muy buena precisión y tanto al sensor como a la sirena, se utilizó efectividad al momento de tomar las una fuente de alimentación a través de un medidas del nivel de agua. sistema fotovoltaico, permitiendo así el máximo rendimiento de cada uno de los Recomendaciones elementos que componen el sistema de Considerando las conclusiones, podemos alerta temprana. establecer las siguientes recomendaciones: Conclusiones Con la llegada de las tecnologías basadas en microcontroladores de bajo costo es más rápido el desarrollo de prototipos o soluciones que permitan la integración de los sensores (SN-SR04T y otros) y los actuadores (relevadores, sirenas, indicadores visuales, etc.) con plataformas de »Utilizar un sistema operativo Android o IOS, para desarrollar una interfaz para dispositivos móviles que permita realizar ciertas tareas de telecomando al sistema de seguridad. »Desarrollar un mantenimiento preventivo frecuente al sensor y el sistema en general, para evitar un mal funcionamiento y esto conlleve a errores de medición del mismo. Universidad de Oriente 19 »Para generar una alarma más impactante, se recomienda instalar una sirena de mayor potencia para que pueda ser escuchada a una distancia muy significativa. »Como el proyecto descrito en el presente documento es un prototipo, y no se especifica el lugar de la instalación en el río. Cuando se requiera realizar el montaje en campo, hay que construir una estructura de hierro con la debida seguridad, para evitar el daño al mismo por los fenómenos hidrológicos y para protegerlo de manipulación por personas no autorizadas. Bibliografía Australian Greenhouse Office, in the Department of the Environment and Heritage, Australian Greenhouse Office. (2006). Climate Change Impacts & Risk Management: A Guide for Government, ISBN: 1921120 56 Business and 8. Australia: Australian Greenhouse Office. Investigación Científica y Tecnológica. Madrid: Díaz de Santos. Crespo, J. E. (2014). Aprendiendo Arduino. Obtenido de https://aprendiendoarduino.wordpress.com 2016/06/26/microcontroladores­2/: https:// arendiendoarduino.wordpress.com/016/06/26/ microcontroladores­2/ temprana y comportamiento del nivel de los ríos de bajo costo. Recuperado el 17 de abril de 2017, de Universidad San Buena Ventura: http:/ bibliotecadigital.usb.edu.co/bitstream 10819/2144/1 Sistema_Electronico_Inalambrico_Monitoreo_Campo_2 013.pdf. 20 Universidad de Oriente desarrollo y en la programación de Naciones Unidas. Nueva países de las York, NY, EE. UU.: ONU. Gallardo González, J. G. (2016). Diseño e implementación de un prototipo telemétrico autosustentable para supervisión de las condiciones hídricas y eficiencia de riego en plantaciones agrícolas. Guayaquil, Colombia: Universitaria. Ingeniería Electrónica. (2015). Tipos de Arduino, detalles y diferencias entre las placas. Recuperado el 22 de 02 de 2015, de Ingenería electrónica: http:// ingenieriaelectronica.org/tipos­de­arduino­detalles­y­ diferencias­entre­las­placas/ Ministerio de Medio Ambiente y Recursos (2009). Sistema de Alerta Naturales. Temprana por Inundaciones. Obtenido de http:www.rimd.org/:http:// www.rimd.org/advf/documentos/ b4f8c809fe9f0.86389562.pdf de Curso de rehabilitación energética edificios. Obtenido de http:// www.serviex.net/:http://www.serviex.net/ficheros/ archivos/2013_01/2.pdf Organización de Estados Americanos. (2010). Manual para el Diseño, instalación, operación y mantenimiento de Sistemas Comunitarios de Alerta Temprana ante inundaciones. Washington, Estados Unidos: OEA. Organización de las Naciones Unidas. (2015). Marco Campo Erazo, P. A., & Zafra Vallejo, K. (2013). Sistema monitoreo del cambio climático en los procesos nacionales de Nuñez, J. (s.f.). Cegarra Sánchez, J. (2004). Metodología de la electrónico inalámbrico de alerta Coté, M., & Teixeira Santos, S. (2012). Integración del de Sendai para la Reducción del Riesgo de Desastres 2015­2030. Obtenido de https://www.unisdr.org/: https://www.unisdr.org files/ 43291_spanishsendaiframeworkfordisasterri.pdf Servicio Nacional de Estudios Territoriales, Ministerio de Medio mbiente y Recursos Naturales. (2004). Sistema de Alerta Temprana por Inundaciones Experiencia en El Salvador ­ SNET. San salvador: SNET. Temas de divulgación. (s.f.). Temas de divulgación. Recuperado el 24 de abril de 2017, de http:// www.pluviometro.com: http://www.pluviometro.com/ temasdivul/plugral.html Mendoza, B., Laguan, J., & Rivas, I. (24 de octubre de 2017). Así de vulnerable y riesgoso es El Salvador ante desastres por fenómenos naturales. Obtenido de La Prensa Gráfica: https://www.laprensagrafica.com/ elsalvador/Asi­de­vulnerable­y­riesgoso­es­El­Salvador­ ante­desastres­por­ fenomenos­naturales­ 20171024­0064.html Ministerio de Medio Ambiente y Recursos (2009). Sistema de Alerta Naturales. Temprana por Inundaciones. Obtenido dehttp://www.rimd.org/:http:// ww.rimd.org/advf/documentos/ 4b4f8c809fe9f0.86389562.pd Miah & Gammack, (2009) Precepciones del Cambio Climático. http://www. https://www.who.int/ topics/ climate/es/ Murillo, W. (18 de Noviembre de 2008, Citado por Zoila Rosa Vargas Cordero). LA INVESTIGACIÓN APLICADA: UNA FORMA DE CONOCERDLAS VERDADES. Obtenido de http://www.redalyc.org:http://www.redalyc.org/pdf/ 440/44015082010.pdf Schwartz, M. (2014). Arduino Networking. California:Packet Publishing. Universidad de Oriente 21