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PROTOTIPO DE MEDICIÓN DE PARÁMETROS FISICOQUÍMICOS PARA DETERMINAR LA RELACIÓN ENTRE INDICADORES BIOLÓGICOS Y CALIDAD DEL AGUA EN EL HUMEDAL SANTA MARÍA DEL LAGO- BOGOTÁ. NUBIA ESPERANZA PEREZ RUEDA LAURA ANGELICA RODRIGUEZ CASAS UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES ESPECIALIZACIÓN EN GERENCIA DE RECURSOS NATURALES BOGOTA D.C. 2016
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PROTOTIPO DE MEDICIÓN DE PARÁMETROS FISICOQUÍMICOS PARA
DETERMINAR LA RELACIÓN ENTRE INDICADORES BIOLÓGICOS Y CALIDAD
DEL AGUA EN EL HUMEDAL SANTA MARÍA DEL LAGO- BOGOTÁ.
NUBIA ESPERANZA PEREZ RUEDA
LAURA ANGELICA RODRIGUEZ CASAS
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD DE MEDIO AMBIENTE Y RECURSOS NATURALES
ESPECIALIZACIÓN EN GERENCIA DE RECURSOS NATURALES
BOGOTA D.C.
2016
PROTOTIPO DE MEDICIÓN DE PARÁMETROS FISICOQUÍMICOS PARA
DETERMINAR LA RELACIÓN ENTRE INDICADORES BIOLÓGICOS Y CALIDAD
DEL AGUA EN EL HUMEDAL SANTA MARÍA DEL LAGO- BOGOTÁ.
Nubia Esperanza Pérez Rueda
Laura Angélica Rodríguez Casas
Trabajo de grado para optar al Título de Especialistas en Gerencia de Recursos
Naturales
Tutor
Alejandro Copete Perdomo
Universidad Distrital Francisco José De Caldas
Facultad de Medio Ambiente y Recursos Naturales
Especialización en Gerencia de Recursos Naturales
Bogotá D.C.
Julio de 2016
“Las ideas emitidas por los autores son de exclusiva responsabilidad y no expresan
necesariamente opiniones de la Universidad”
(Artículo 117,Acuerdo 029 de 1998)
Nota de aceptación
_______________.
_______________.
_______________.
Firma del tutor
_________________.
Bogotá,26 de Julio de 2016
CONTENIDO
RESUMEN .................................................................................................................. 11
ABSTRACT ................................................................................................................ 12
INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 12
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .................................................................. 13
2. JUSTIFICACION .................................................................................................. 14
3. OBJETIVOS ........................................................................................................ 15
3.1. Objetivo General ........................................................................................... 15
3.2. Objetivos Específicos ................................................................................... 15
4. MARCO DE REFERENCIA ................................................................................. 16
4.1. Antecedentes ................................................................................................ 16
4.2. Marco Geográfico ......................................................................................... 17
4.2.1. Área de Estudio ......................................................................................... 19
4.3. Marco Legal .................................................................................................. 20
4.4. Marco Técnico .............................................................................................. 22
4.4.1. Factores Ambientales en Humedales .................................................... 22
4.4.2. Prototipo ................................................................................................ 25
4.4.3. Índice de correlación de Spearman ....................................................... 34
5. METODOLOGIA .............................................................................................. 37
5.1. Diseño y calibración de un prototipo de medición de parámetros fisicoquímicos
y correlación estadística .......................................................................................... 37
5.1.1. Formulación de la Hipótesis ................................................................... 37
5.1.2. Diseño de Variables ............................................................................... 37
5.1.3. Recolección de Datos ............................................................................ 38
5.1.4. Instrumentos .......................................................................................... 38
5.1.5. Técnicas de Análisis de datos ............................................................... 38
5.1.6. Pregunta ................................................................................................ 39
5.1.7. Indicadores ............................................................................................ 39
5.1. Protocolo para el uso del prototipo e interpretación de datos ........................ 40
5.2.1. Formulación de Hipótesis ...................................................................... 40
5.2.2. Diseño de Variables ............................................................................... 40
5.2.3. Recolección de Datos ............................................................................ 40
5.2.4. Instrumentos .......................................................................................... 40
5.2.5. Técnicas de Análisis de Datos ............................................................... 41
5.2.6. Pregunta ................................................................................................ 41
5.2.7. Indicadores ............................................................................................ 41
6. RESULTADOS .................................................................................................... 42
6.2. Diseño y calibración del prototipo ................................................................. 42
6.2.1. Etapa 1. Montaje y programación de sensores ...................................... 42
6.2.2. Etapa 2. Selección del panel Solar ........................................................ 50
6.2.3. Etapa 3 Correlación de Sperman ........................................................... 52
6.2.4. Etapa 4. Implementación y Validación del Prototipo .............................. 53
6.3. Protocolo del Dispositivo............................................................................... 54
6.3.1. ETAPA 1 Explicación Inicial ................................................................... 54
6.3.2. ETAPA 2 Generalidades y funcionamiento del dispositivo ..................... 56
6.3.3. ETAPA 3 Parámetros de Medición ........................................................ 62
6.3.4. ETAPA 4 Procedimientos ...................................................................... 64
7. DISCUSIÓN DE RESULTADOS .......................................................................... 66
8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ...................................................... 69
9. BIBLIOGRAFIA .................................................................................................... 70
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Normas Nacionales ....................................................................................... 20
Tabla 2. Normatividad Humedales .............................................................................. 20
Tabla 3 Normatividad energías alternativas ................................................................ 22
Tabla 4. Unidades de Turbidez ................................................................................... 25
Tabla 5. Especificaciones de sensor de Temperatura ................................................. 29
Tabla 6. Especificaciones sensor de Turbiedad SEN0189 .......................................... 30
Tabla 7. Especificaciones sensor pH .......................................................................... 32
Tabla 8.Valores en Mv con respecto al pH .................................................................. 32
Tabla 9 Escala de interpretación para la correlación de Spearman ............................. 36
Tabla 10. Etapas de diseño ........................................................................................ 42
Tabla 11. Almacenamiento de batería según panel solar. ........................................... 51
Tabla 12 Procesamiento de información para cálculo de correlación .......................... 53
Tabla 13 Partes externas del prototipo ....................................................................... 56
Tabla 14 Partes internas del prototipo ........................................................................ 57
Tabla 15 Partes de la balsa-soporte flotante ............................................................... 58
Tabla 16 Presentación de resultados en display ......................................................... 60
Tabla 17 Presentación de correlaciones en display .................................................... 61
Tabla 18 Procedimientos de mantenimiento y calibración de sensores ...................... 65
LISTA DE FOTOGRAFÍAS
Fotografía 1 Arduino Mega ......................................................................................... 26
Fotografía 2 Pruebas de conexión sensor de temperatura ......................................... 44
Fotografía 3 Código sensor LM35 y monitor serial ...................................................... 45
Fotografía 4 Conexiones pHmetro y arduino ............................................................... 45
Fotografía 5 Conexiones pHmetro y tarjeta ................................................................. 45
Fotografía 6 Codigo de sensor pH y monitor serial ..................................................... 46
Fotografía 7 Validación pH con pHmetro del prototipo ................................................ 47
Fotografía 8 Verificación pH con multiparámetro calibrado ......................................... 47
Fotografía 9 Conexión sensor de turbiedad ................................................................ 47
Fotografía 10 Código sensor de turbiedad y monitor serial ......................................... 48
Fotografía 11 Verificación turbiedad con equipo calibrado ......................................... 49
Fotografía 12 Validación turbiedad con sensor del prototipo ...................................... 49
Fotografía 13 Presentación información en display ..................................................... 49
Fotografía 14 Versión final del prototipo...................................................................... 49
Fotografía 15 Montaje del panel solar. ........................................................................ 51
Fotografía 16 Puntos de muestreo Humedal Santa Maria del Lago ............................ 54
Fotografía 17 Soporte flotante en humedal Santa María del Lago .............................. 59
LISTA DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1. Limites Urbanos del Humedal Santa María del Lago ............................. 17
Ilustración 2.Ubicación general área de estudio SML.................................................. 19
Ilustración 3 Monitor serial de arduino ........................................................................ 28
Ilustración 4. Sensor LM35 ......................................................................................... 30
Ilustración 5. Conexión sensor de turbiedad. .............................................................. 31
Ilustración 6. Constitución y Principio de una célula solar fotovoltaica ........................ 33
RESUMEN
En el presente trabajo se desarrolla un prototipo de medición de parámetros
fisicoquímicos alimentado con energía solar para determinar correlación estadística de
Sperman entre algunos indicadores biológicos y de calidad del agua en el humedal
Santa María del Lago en Bogotá. Estas variables son determinadas por sensores
análogos y digitales e interpretados a través de la plataforma de hardware libre arduino,
para posteriormente ser procesadas y almacenadas en una memoria SD para que
puedan ser consultadas por quien lo requiera.
ABSTRACT
In this paper was developed a prototype measurement of physical and chemical
parameters solar powered to determine Spearman statistical correlation between certain
biological indicators of water quality in the wetland Santa Maria del Lago in Bogota.
These variables are determined by analog and digital sensors and interpreted through
open hardware platform Arduino , to be processed and stored on an SD memory so they
can be consulted by those who request them .
12
INTRODUCCIÓN
En este proyecto se indica el desarrollo de un prototipo alimentado con energía solar y
basado en la plataforma arduino para la medición de algunos parámetros de calidad del
agua y determinar la correlación de Spearman con dos variables biológicas. El
dispositivo permite el almacenamiento de datos fácilmente para su análisis a fin de
proveer a los profesionales de herramientas e información para la toma de decisiones
en torno a la conservación y dinámicas en los humedales. Probado en el Humedal Santa
María del Lago, el dispositivo mostró de manera precisa las mediciones realizadas y su
correlación con los demás parámetros considerados.
El estudio de los factores ambientales que afectan las dinámicas de los humedales de
Bogotá y el desarrollo de soluciones tecnológicas que faciliten su análisis permite el
acceso a información confiable como insumo para la definición de estrategias de
conservación de humedales y resuelve la ausencia de información en cuanto a la
relación de algunas variables biológicas y fisicoquímicas en estos ecosistemas,
planteando el desarrollo de un dispositivo fundamentado en el uso de energía
renovables y una plataforma de software libre.
Con el objetivo de optimizar el proceso de medición de variables, determinar la
correlación estadística entre algunos parámetros biológicos y fisicoquímicos y contar
con información confiable para analizar sin dificultades técnicas la fuerza y dirección de
una relación entre algunas variables, se desarrolla un prototipo que responda a estos
requerimientos asegurando un bajo costo de implementación.
El prototipo se construyó empleando tecnología de bajo costo, con componentes
electrónicos accesibles, sensores análogos y digitales de pH, turbiedad y temperatura,
un panel solar de 5v para la alimentación del dispositivo y una placa Arduino Mega para
el procesamiento de datos. La programación se realizó con el lenguaje abierto “wiring”
que es propio del Arduino y algunas plataformas libres. Para el desarrollo de la
correlación se investigaron varios métodos seleccionando el de burbuja para su
implementación.
Para la validación del prototipo se realizaron tres mediciones en el mes de Junio y Julio
del año 2016 en el Humedal Santa María del Lago, comprobando el correcto
funcionamiento y precisión del mismo.
13
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Los Humedales son ecosistemas hídricos sensibles a la contaminación y deterioro de
las condiciones fisicoquímicas y bacteriológicas del agua, debido a la alta presión
urbana a la que son expuestos, a esto se suma la ausencia de datos meteorológicos IN
SITU que sean de insumo en la búsqueda de soluciones eficaces en la gestión y
planificación del recurso hídrico tan importante y escaso en la actualidad así como se
debe enfatizar en el uso de nuevas tecnologías con un sin número de aplicaciones que
faltan por explorar en estudios ambientales detallados de los ecosistemas urbanos que
pueden llegar a representar la solución no solo en la obtención de parámetros
fisicoquímicos del agua y meteorológicos de un lugar específico sino que también
pueden prevenir catástrofes ambientales en lugares remotos de nuestro país, de difícil
acceso y con ausencia de energía eléctrica. Es por esto que el grupo de investigación
plantea las siguientes preguntas de investigación a ser resueltas:
¿Qué instrumento permite la obtención en tiempo real y confiable de los parámetros
fisicoquímicos (Temperatura, pH, Turbiedad) y su correlación con parámetros biológicos
en independencia de la red eléctrica a bajo costo?
¿Qué herramienta da soporte al uso de un instrumento que permite la obtención en
tiempo real y confiable de los parámetros fisicoquímicos (Temperatura, pH, Turbiedad)
y su correlación con parámetros biológicos en el Humedal Santa María del Lago?
14
2. JUSTIFICACION
El desarrollo e implementación de un prototipo capaz de monitorear algunos parámetros
fisicoquímicos del agua a través de sensores e interpretarlos por medio de una
plataforma de hardware libre garantiza el acceso a información de calidad referente a
las condiciones de un cuerpo de agua. Adicionalmente el establecer similaridades o
disimilaridades entre las variables fisicoquímicas a partir de métodos de correlación
permite un análisis más completo de los valores reportados, lo cual en conjunto con lo
anterior contribuye a la priorización de tareas para contrarrestar o incrementar dichas
acciones dentro del ecosistema de humedal.
El dispositivo diseñado se constituye en una solución tecnológica que aporta a la
recolección y análisis de datos asociados a los factores ambientales que influyen en las
dinámicas de un humedal. El análisis de la correlación estadística entre diferentes
parámetros establece un aporte al conocimiento de los factores ambientales que afectan
este tipo de ecosistemas a la par de constituirse en una herramienta de análisis y toma
de decisiones sobre la conservación de dichos espacios. Enfocado en el uso de una
plataforma de hardware y software de código abierto, el diseño y desarrollo del
dispositivo incorpora el uso de componentes de bajo costo y energía solar,
proyectándose como una solución de fácil implementación y uso para el análisis de
variables y correlaciones en humedales y a mediano plazo, en otro tipo de ecosistemas.
El proyecto potencializa la inclusión de cálculos estadísticos en el desarrollo de sensores
de calidad de agua, lo cual robustece el uso de estos instrumentos ampliando las
opciones de uso de la información.
15
3. OBJETIVOS
3.1. Objetivo General
Desarrollar un prototipo de medición de parámetros fisicoquímicos alimentado
con energía solar para determinar la relación entre algunos indicadores
biológicos y de calidad del agua en el humedal Santa María del Lago en Bogotá.
3.2. Objetivos Específicos
Diseñar y calibrar un prototipo de medición de parámetros fisicoquímicos
alimentado con energía solar y basado en Arduino para la obtención de datos de
temperatura, pH y turbiedad y su correlación con la riqueza total de aves y el
porcentaje de espejo de agua.
Elaborar un protocolo para interpretar la información recopilada de los
parámetros fisicoquímicos a partir del análisis de correlación múltiple de
Spearman con el fin de evaluar la interdependencia entre pH, turbiedad y
temperatura, el porcentaje de espejo de agua y la riqueza total de aves
acuáticas.
16
4. MARCO DE REFERENCIA
A continuación, se presenta una recopilación de conceptos o teorías que se relacionan
directamente con el problema de investigación y que nos permite contextualizarnos
alrededor de él.
4.1. Antecedentes
El uso de software libre y de fácil acceso a plataformas de prototipos de código abierto
como Arduino y Raspberry pi han facilitado el desarrollo de proyectos con entornos
interactivos. A la par, el uso de energía solar fotovoltaica en el diseño y construcción de
estaciones meteorológicas y dispositivos similares ha ganado campo en los últimos
años, dadas las ventajas de uso en lugares remotos o con acceso deficiente a la
electricidad.
Diversos proyectos contribuyen al desarrollo de este prototipo brindando los
lineamientos esenciales para su elaboración y puesta en marcha. Se destaca el diseño
de una estación multiparamétrica cuya información puede ser monitoreada en tiempo
real a través de internet (Palma M & Ramirez, 2013) así como un tensiómetro de bajo
costo para monitoreo continúo desarrollado en Arduino alimentado con energía solar.
El uso de energía solar facilita el emplazamiento del prototipo en lugares aislados donde
no se dispone de red eléctrica para su alimentación ni una red de comunicaciones por
cable con la facilidad de almacenar la información y subirla a la nube hasta contar con
una red disponible. Para efectuar el registro de parámetros fisicoquímicos in-situ es
necesario contar con el equipo adecuado para automatizar el proceso de medición y un
microcontrolador programado que optimice el procesamiento de datos y elimine los
errores por inferencia humana. Por otro lado, la definición de la calidad del agua y la
determinación de niveles de asociación y dependencia entre los parámetros
fisicoquímicos son sustentados en estudios desarrollados en este tipo de ecosistemas,
que por sus características físicas pueden diferir de aquellos caracterizados por aguas
corrientes como los ríos. (Hernadez, 2015)
17
4.2. Marco Geográfico
El Humedal Santa María del Lago (SML), limita al norte con la calle 80,el Centro de
estudios del Niño y el conjunto residencial San Francisco; al oriente con la avenida
Boyacá, las carreras 74 y 73 A, y el conjunto residencial Sago (que ocupa parte del
cuerpo de agua original); al occidente con la carrera 76; al sur con la calle 75; al
suroccidente con los barrios Santa María del Lago y Tabora; y al noroccidente con el
barrio La Granja, Sus coordenadas son 04º41´32,17´´N-74º 05´40,71´´O; 04º41´47,69´´
N-74º05´37,90´´O y 04º41´35,95´´N-74º05´´47,24´´O-04º41´41,50´´N-74º05´31,35´´O
, como se puede ver en la Ilustración 1. (Lopez Peralta, 2012)
Ilustración 1. Limites Urbanos del Humedal Santa María del Lago
Fuente: Estado Trófico de un humedal Urbano andino tropical: Santa María Del Lago. Bogotá D.C.
Colombia. Raúl Hernando López Peralta.
Según la anterior Ilustración
Calle 80
Centro de estudios del Niño
Conjunto Residencial San Francisco
18
Avenida Boyaca
Carrera 73ª
Carrera 74
Conjunto Residencial Sago
Carrera 76
Calle 75
a-d. Puntos de Vertimientos de aguas lluvias y residuales
Para SML se ha reportado un área total de 10,50 ha y un espejo de agua de 5,61 o 6,40
ha. (Lopez Peralta, 2012)
Debido al urbanismo en sus alrededores, de más de 42.000 ha, ya no almacena ni regula
algunos cauces menores, y su caudal no desemboca en el rio Juan Amarillo o Salitre,
aunque se encuentra interconectado por drenajes subterráneos con la parte superior del
sistema del mismo nombre. SML, almacena agua en forma permanente y recibe aporte
hídrico de escorrentía superficial y aguas freáticas y vertimiento de aguas lluvias y
residuales del alcantarillado en cuatro puntos a-d (Ilustración 1).
Estos aportes, aunque de aguas contaminadas, son consideradas esenciales, porque
mantienen el área cubierta por espejo de agua, ayudando al mantenimiento y
permanencia del ecosistema. SML, cuenta con sumideros para captación de aguas
lluvias del sector que son conducidas al cuerpo de agua. (Lopez Peralta, 2012)
19
4.2.1. Área de Estudio
En la Ilustración 2 se puede observar esquemáticamente el área correspondiente al
humedal Santa María del Lago
Ilustración 2.Ubicación general área de estudio SML
Fuente: http://mapas.bogota.gov.co/
El área de estudio (SML), a pesar de ser completamente urbano, posee una
considerable riqueza biótica. Su ronda hidráulica es muy pobre en oferta de recursos
para la fauna, por la poca cobertura vegetal, en su mayoría exótica, aunque se han
plantado especies autóctonas, que pueden observarse en los alrededores de sus seis
plazoletas y senderos peatonales. (Lopez Peralta, 2012)
La vegetación acuática enraizada emergente y flotante en el humedal, actúa como filtro
purificador de las aguas residuales provenientes de los barrios aledaños y cumple las
funciones de nicho ecológico, favoreciendo la diversidad de hábitat. Las plantas
emergentes, por ejemplo, sirven para la anidación de P. podiceps, siendo el único
20
humedal de Bogotá D.C., que mantiene una población de este pato, cabe resaltar que
también sirve de tránsito para aves migratorias. (Lopez Peralta, 2012)
4.3. Marco Legal
En la siguiente matriz se presenta de manera resumida la normatividad asociada a los
humedales y al uso de energía solar alternativa.
Tabla 1. Normas Nacionales
Normas Nacionales
Constitución Política de Colombia 1991 Art 72 a 82 establecen el derecho a gozar de un
ambiente sano.
Decreto Ley 2811 de 1974 Código Nacional de los Recursos Naturales
Renovables y de protección al medio ambiente.
Fuente: Autores
Tabla 2. Normatividad Humedales
Normatividad referente a humedales
Norma Descripción
Convención
RAMSAR,1971 Comunidad
Internacional
Convención Relativa a los Humedales de Importancia Internacional
especialmente como Hábitat de Aves Acuáticas
Convenio Sobre la Diversidad
Biológica, 1992 Comunidad
Internacional
Convenio de la Diversidad Biológica (Río de Janeiro, 1992)
Decreto 1541 de
1978 Ministerio de
Agricultura
Por el cual se reglamenta la parte III del libro II del Decreto Ley 2811 de 1974;
«De las aguas no marítimas» y parcialmente la Ley 23 de 1973.Normas
relacionadas con el recurso agua. Dominio, ocupación, restricciones,
limitaciones, condiciones de obras hidráulicas, conservación y cargas
pecuniarias de aguas, cauces y riberas.
Decreto 1594 de
1984 Ministerio de
Agricultura
Por el cual se reglamenta parcialmente el Título 1 de la Ley 09 de 1979, así
como el Capítulo II del Título VI - Parte III - Libro II y el Título III de la parte
III - Libro I - del Decreto 2811 de 1974 en cuanto a Usos del Agua y Residuos
Líquidos.Los usos de agua en los humedales, dados sus parámetros fisicos-
químicos son: Preservación de Flora y Fauna ,agrícola, pecuario y
recreativo.El recurso de agua comprende las superficies subterráneas,
marinas y estuarianas, incluidas las aguas servidas. Se encuentran definidos
los usos del agua así: a)Consumo humano y doméstico b)Preservación de
flora y fauna c)Agrícola d)Pecuario e)Recreativo f)Industrial g)Transporte.
21
Normatividad referente a humedales
Norma Descripción
Ley 99 de 1993 Congreso de
Colombia
Por la cual se crea el Ministerio del Medio Ambiente, se reordena el sector
público encargado de la gestión y conservación del medio ambiente y los
recursos naturales renovables, se organiza el Sistema Nacional Ambiental,
SINA y se dictan otras disposiciones
Ley 165 de 1994Congreso de
Colombia
Por medio de la cual se aprueba el "Convenio sobre la Diversidad Biológica",
hecho en Río de Janeiro el 5 de junio de 1992.
Ley 357 de 1997Congreso de
Colombia
Por medio de la cual se aprueba la "Convención Relativa a los Humedales
de Importancia Internacional Especialmente como Hábitat de Aves
Acuáticas", suscrita en Ramsar el dos (2) de febrero de mil novecientos
setenta y uno (1971).
Resolución Nº 157 de
2004 MAVDT
Por la cual se reglamenta el uso sostenible, conservación y manejo de los
humedales, y se desarrollan aspectos referidos a los mismos en aplicación
de la convención RAMSAR.
Resolución Nº 196 de
2006MAVDT
"Por la cual se adopta la guía técnica para la formulación de planes de
manejo para humedales en Colombia "
Resolución 1128 de
2006MAVDT
Por la cual se modifica el artículo 10 de la resolución 839 de 2003 y el articulo
12 de la resolución 157 de 2004 y se dictan otras disposiciones.
Acuerdo 6 de1990 Alcaldía
Mayor de Bogotá Concejo de
Bogotá
Por medio del cual se adopta el Estatuto para el Ordenamiento Físico del
Distrito Especial de Bogotá, y se dictan otras disposiciones Estatuto para el
ordenamiento físico del Distrito Especial de Bogotá.
Acuerdo 19 de 1994, del
Concejo de Bogotá
Por el cual se declaran como reservas ambientales naturales los Humedales
del Distrito Capital y se dictan otras disposiciones que garanticen su
cumplimiento.
Acuerdo 19 de 1996, del
Concejo de Bogotá
Por medio del cual se adopta Estatuto General de la Protección Ambiental
del Distrito Capital y normas básicas para garantizar la preservación y
defensa del patrimonio ecológico, los recursos naturales y el medio
ambiente.
Decreto 190 de 2004Plan de
Ordenamiento
TerritorialConcejo de Bogotá
Por medio del cual se compilan las disposiciones contenidas en los Decretos
Distritales 619 de 2000 y469 de 2003." Plan de Ordenamiento Territorial de
Bogotá, D.C..Artículo 95. Define Parque Ecológico Distrital. Dentro de los
que se destacan el Humedal de Santa María del Lago.
Decreto 062 del
14/03/2006 Alcalde Mayor
Por medio del cual se establecen mecanismos. Lineamientos Y directrices
para la elaboración Y ejecución de los respectivos Planes de manejo
22
Normatividad referente a humedales
Norma Descripción
ambiental para los humedales ubicados dentro del Perímetro urbano del
Distrito Capital.
Decreto 624 de 2007 Alcalde
Mayor
Por el cual se adopta la visión, objetivos y principios de la Política de
Humedales del Distrito Capital.
Decreto 386 de
200823/12/2008 Alcalde
Mayor
Por el cual se adoptan medidas para recuperar, proteger y preservar los
humedales, sus zonas de ronda hidráulica y de manejo y preservación
ambiental, del Distrito Capital y se dictan otras disposiciones.
Resolución 2618 de 2006SDA Por medio de la cual se crea el Comité Distrital de humedales y se dictan
disposiciones sobre su funcionamiento.
Fuente: Secretaria Distrital de Ambiente .Disponible en:
http://ambientebogota.gov.co/normatividad2#sthash.KKcu3Bdr.dpuf
Tabla 3 Normatividad energías alternativas
Normatividad Energías Alternativas
Ley 1715 de 2014
Se regula la integración de las energías renovables
no convencionales al sistema energético nacional.
Su finalidad es establecer el marco legal y los
instrumentos para la promoción del
aprovechamiento de las fuentes no convencionales
de energía, principalmente aquellas de carácter
renovable, lo mismo que para el fomento de la
inversión, investigación y desarrollo de tecnologías
limpias Marco Técnico
Fuente: Secretaria Distrital de Ambiente .Disponible en:
http://ambientebogota.gov.co/normatividad2#sthash.KKcu3Bdr.dpuf
4.4. Marco Técnico
A continuación, se introducen algunos conceptos fundamentales que aclaran y definen
los elementos constituyentes del prototipo que se diseñó y probó en el humedal Santa
María del Lago y las variables que se contemplaron para el desarrollo del dispositivo.
4.4.1. Factores Ambientales en Humedales
Se definen en las líneas siguientes los parámetros considerados para el diseño del
prototipo, entendidos como factores ambientales que condicionan las dinámicas del
humedal Santa María del Lago (Sanmartín, 2011)
23
4.4.1.1. Parámetros Fisicoquímicos
La calidad del agua de un humedal hace referencia al conjunto de características o
propiedades inherentes del mismo que nos permite determinar su estado de
conservación a partir de unos parámetros base o la posible comparación con otros
ecosistemas de características similares. Los parámetros que deben ser tenidos en
cuenta para determinar la calidad del agua están en función del uso que se le vaya a
dar y se pueden clasificar en físicos, químicos y biológicos. En el desarrollo de esta
investigación es posible analizar y evaluar por lo menos una variable de cada uno de
estos parámetros.
Este capítulo permitirá al lector conocer cada una de las variables que van a ser tenidas
en cuenta para el desarrollo de la investigación y como estas van a permitir evaluar o
conocer el estado actual del humedal Santa María el Lago.
Temperatura
La temperatura es uno de los parámetros que describen el estado de un sistema. El
conocimiento de la temperatura constituye una información esencial para predecir los
cambios que se producirán en un sistema cuando interactúa con otro. Es una propiedad
macroscópica que expresa el estado de agitación o movimiento desordenado de las
partículas; está relacionada, por tanto, con la energía cinética de esas partículas. (R, E,
& A)
Como variable física interviene en forma importante en la calidad del agua ya que afecta
el desarrollo de organismos presentes allí. A mayor temperatura, en un período
constante, el oxígeno disuelto del agua disminuye, provocando estrés en las especies
animales y vegetales que habitan un ecosistema acuático.
Potencial de Hidrógeno (pH)
Las siglas pH significa potencial de hidrógeno, el pH da la concentración de iones de
hidrógeno (H+) presentes en una solución e indica si una sustancia es alcalina, neutra
o ácida. Este término fue acuñado por el químico danés Sorensen, quien lo definió como
24
el logaritmo negativo de base 10 de la actividad de iones hidrógeno. Esto es pH=-log
(H+) (Almeida Brito, 2014)
La escala de pH va de 0 a 14. Un pH de 7.0 indica que la solución es neutra, por debajo
de 7.0 tiende a la acidez, por encima de 7.0 tiende a la alcalinidad. Si el pH es bajo tiene
alta concentración de iones de Hidrógeno, si el pH es alto tiene poco o nula
concentración de iones de Hidrógeno.
Turbiedad
La definición de turbidez corresponde a la reducción de la transparencia de un líquido
causada por la presencia de materia sin disolver (La Guía MetAs, 2010). Característica
que hace parecer el agua como turbia o barrosa y presenta algún tipo de resistencia a
que la luz pase.
Origen: Partículas suspendidas que van desde el tamaño coloidal hasta arena gruesa,
cuya presencia depende del grado de turbulencia del agua:
En un lago la turbiedad es debida a partículas coloidales (tamaño <10-3mm)
En un río la turbiedad es debida a arenas principalmente.
La Naturaleza de esas partículas puede ser:
Mineral: Limos, Arcillas
Orgánico: residuos vegetales, microorganismos etc.
Causas:
Erosión causada por las corrientes.
Desechos domésticos.
Desechos Industriales.
Crecimiento de microorganismos, que se alimentan de la materia orgánica.
Otras causas menores.
Debido a la naturaleza tan variada de las partículas que producen turbiedad, es difícil
establecer un tratamiento específico para removerla. (Perez)
Unidades de Turbidez
Las unidades actualmente utilizadas son:
25
Tabla 4. Unidades de Turbidez
Nombre Símbolo y Unidad
Unidad Nefelometrica de
Turbidez
NTU(1)
Unidad Nefelometrica de
Formazina
FNU(1)
Fuente: (La Guía MetAs, 2010)
Se tiene que 1 NTU=1 FNU (La Guía MetAs, 2010)
4.4.1.2. Parámetros Biológicos
Riqueza Total de aves Referenciando a Loretta
Porcentaje de Espejo de Agua Referenciado a Loretta
4.4.2. Prototipo
Es una representación física de un producto, con facilidades de pruebas en condiciones
o situaciones reales que permite explorar su uso. Se caracteriza por ser un modelo
inicial, que se coloca a prueba para comprobar su utilidad y resultados obtenidos, dicho
modelo se diseña con rapidez y bajo costo. El prototipo permite observar las posibles
limitantes de un producto final permitiendo de este modo explorar y experimentar con
distintas versiones hasta tener un producto final totalmente refinado. (Rivera & Yepez,
2015)
4.4.2.1. Arduino
Es una plataforma electrónica de código abierto (open-source) útil en la configuración
básica y elemental de objetos electrónicos. Arduino se basa en una placa con entradas
y salidas, análogas y digitales, en un entorno de desarrollo que está basado en el
lenguaje de programación Processing. Esta plataforma integra su propia interfaz de
desarrollo para la programación del microcontrolador, la compilación del programa y la
transferencia del código hacia el microchip. (Lugo, Villavicencio, & Diaz, 2014)
26
Corresponden a plataformas de microcontroladores basadas en hardware y software
flexibles de fácil disposición con bajos costos y mediante una licencia gratuita. (Back,
2006) En la actualidad se destaca la plataforma Arduino.
Este dispositivo electrónico es capaz de recolectar las lecturas de los sensores, procesar
los datos, enviarlos a una salida de visualización predeterminada y tomar las acciones
de control que se requieran. Además, es posible manejar señales analógicas y digitales
lo que implica menores limitaciones en la selección de los sensores a utilizar con unos
menores costos.
Como parte esencial del dispositivo a diseñar se encuentra un Arduino Mega (Imagen
3) el cual posee 54 pines digitales que funcionan como entrada/salida; 16 entradas
análogas, un cristal oscilador de 16 MHz, una conexión USB, un botón de reset y una
entrada para la alimentación de la placa.
Fotografía 1 Arduino Mega
Fuente: https://www.arduino.cc/
4.4.2.2. Lenguaje de programación
Un lenguaje de programación es un sistema estructurado de comunicación, similar al
humano que, mediante un conjunto de instrucciones consecutivas y ordenadas, permite
la ejecución de una tarea específica. (Morales, 2014)
El microcontrolador en la placa se programa mediante el lenguaje de programación
Arduino (basado en Wiring) y el entorno de desarrollo Arduino (basado en Processing).
(Rivera & Yepez, 2015).
27
Wiring tiene su origen en Processing, un lenguaje de programación cuyo objetivo
principal es crear una forma para bocetar y hacer prototipos de la programación de
aplicaciones gráficas interactivas en un computador. El programa puede tener un
número variable de líneas de código, desde dos o tres hasta miles, con espacio
suficiente para crecimiento y variación. (Barragan, 2014)
Los principales lenguajes de programación compatibles con Arduino son:
C
C++ (mediante libSerial o en Windows)
C#
Java
Matlab
Python
Visual Basic .NET
4.4.2.3. Entorno de programación
El entorno de desarrollo de Arduino contiene un editor de texto para escribir los códigos,
un área de mensajes, una consola de texto para el puerto serial, una barra de
tareas con botones para las funciones más comunes y una serie de menús para
interactuar con el usuario. Este se conecta al hardware del Arduino para
comunicarse y cargar programas.
El software escrito para arduino se denomina “sketches”, estos son guardados con la
extensión de archivo .ino. El editor contiene funciones de cortado/pegado, búsqueda y
reemplazo de texto. mientras el área de mensajes ofrece ayuda mientras guarda,
exporta y también muestra errores. La consola muestra la salida de texto por
medio del entorno del Arduino, incluyendo mensajes de error completos e
información adicional. La esquina inferior derecha de la pantalla muestra el puerto
usado y la tarjeta conectada. Los botones de la barra de tarea permiten verificar y
cargar programas, crear, abrir y guardar sketches, y abrir el monitor serial. (Chimbo,
2016)
28
4.4.2.4. Monitor serial
Este monitor muestra los datos que están siendo enviados desde la tarjeta Arduino
(sea mediante conexión USB o Serial). Para acceder al monitor serial se da click sobre
el botón en forma de lupa que se encuentra en la parte superior derecha de la ventana
del programa. Para enviar datos a la tarjeta, se debe ingresar el texto deseado y luego
presionar el botón Send o simplemente dar Enter. A continuación, se aprecia la
apariencia del monitor serial (Chimbo, 2016)
Ilustración 3 Monitor serial de arduino
Fuente: Autoras
4.4.2.5. Tarjeta shield
Las “Shields" son placas que pueden ser conectadas encima del Arduino
extendiendo sus capacidades. Las diferentes tarjetas siguen la misma filosofía que el
conjunto original: son fáciles de montar y su costo de producción es bajo. Las shields
suelen ser diseños bastante simples y en general de código abierto, el diseño
suelen ser publicados libremente. (Chimbo, 2016) Para el diseño del prototipo se hizo
29
uso de una microSD shield que permite el almacenamiento de los datos reportados por
los sensores para su posterior manipulación.
4.4.2.6. Sensores
Son dispositivos que producen una señal en respuesta a una detección o medida de
una propiedad (Kalpakjian, 2002), como, por ejemplo, velocidad y posición, que
presentan sensor de detección de velocidad (anemómetro) y de dirección (veleta), es
decir puede convertir magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de
instrumentación, en variables eléctricas.
Los sensores se comunican a través de la plataforma hardware libre Arduino Mega que
cuenta con entradas digitales y análogas para la interpretación de la información que
transfiere el sensor.
● Sensor de temperatura LM35
El sensor de temperatura es un dispositivo que permite conocer el valor de temperatura
presente en un ambiente acuático, a través de la conversión de los cambios de
temperatura a señales eléctrica, esta información es procesada por dispositivos
electrónicos según la necesidad, como es el caso del Arduino MEGA.
Entre las especificaciones generales del sensor de temperatura se encuentran:
Tabla 5. Especificaciones de sensor de Temperatura
Precisión 1ºC
Rango Mínimo de
Medición
-55 ºC
Rango Máximo de
Medición
150 ºC
Salida Lineal 1ºC=10 mV
150 ºC = 1500 mV
-55 ºC = -550 mV
Fuente: Autoras.
A continuación, se muestra una imagen esquemática del sensor LM35
30
Ilustración 4. Sensor LM35
Fuente: instructables. Disponible en: http://www.instructables.com/id/LM35-Temperature-Sensor/
● Sensor de turbiedad
Los sensores de turbidez se utilizan para medir la calidad del agua en los ríos, arroyos,
aguas residuales y demás efluentes, instrumentación de control en soluciones de
piscinas, investigación en transporte de sedimentos y mediciones en laboratorio. Este
sensor provee tanto salidas análogas como salidas digitales. El nivel de comparación
es ajustable cuando se utiliza la modalidad de salida digital.
La función del SEN0189 es medir los niveles de calidad del agua al registrar los niveles
de turbidez. Utiliza luz para detectar las diferentes partículas suspendidas en el agua
por medio de las tasas de dispersión y transmitancia, las cuales cambian con las
diferentes cantidades totales de sólidos suspendidos (TSS) en el agua. El factor TTS
incrementará si aumentan los niveles de turbidez en el líquido.
Entre las especificaciones y características generales del sensor de turbiedad se
encuentran:
Tabla 6. Especificaciones sensor de Turbiedad SEN0189
Elemento Característica
Voltaje de operación: 5V DC
Tiempo de respuesta: <500ms
Método de salida: Análogo
31
Elemento Característica
Salida analógica: 0-4.5V
Salida Digital: High/Low
Temperatura de
operación:
5℃~90 ℃
Temperatura de
almacenamiento.
-10℃~90℃
Peso 30g.
Corriente: 40mA (MAX)
Fuente: Autoras.
A continuación, se muestra una imagen esquemática del Diagrama de conexión del
sensor de turbiedad:
Ilustración 5. Conexión sensor de turbiedad.
Fuente: Sigma
32
● Sensor de pH
Sensor analógico, está diseñado especialmente para controladores de Arduino e
incorpora una conexión y características simple, conveniente y práctica; cuenta con un
LED que funciona como indicador de encendido, un conector BNC y la interfaz de sensor
de pH 2,0. Para usarlo, basta con conectar el sensor de pH con conector BND, y conecte
la interfaz pH 2,0 en el puerto de entrada analógica de cualquier controlador Arduino.
A continuación, se detallan las características principales del sensor:
Tabla 7. Especificaciones sensor pH
Elemento Característica
Alimentación 5 V
Rango de medición 0-14pH
Medición de Temperatura 0-60 ℃
Precisión ± 0.1 pH (25 ℃)
Tiempo de respuesta: ≤ 1 min
Tamaño de módulo 43mmx32mm.
Fuente: Autoras.
La salida del sensor es en milivoltios y el valor de pH asociado se expresa como se
muestra a continuación:
Tabla 8.Valores en Mv con respecto al pH
Fuente: Sigma
33
4.4.2.7. Instalación fotovoltaica
Una instalación fotovoltaica puede garantizar la autonomía y funcionamiento continuo
de un instrumento electrónico, a continuación se refieren algunos conceptos básicos
para la implementación de un sistema alimentado con energía fotovoltaica
Paneles fotovoltaicos
Los sistemas basados en energía solar fotovoltaica garantizan su funcionamiento en el
uso de celdas solares (Ilustración 5), como dispositivos semiconductores que
transforman la radiación directamente en energía eléctrica Estas celdas están formadas
generalmente por la juntura semiconductora POSITIVA-NEGATIVA de silicio de gran
superficie y reducido espesor (Gómez, 2012)
El efecto fotovoltaico se genera cuando algunos materiales específicos que son capaces
de absorber la radiación ultravioleta, es decir aquella emitida por el sol, generan en su
interior cargas eléctricas positivas y negativas.
Las placas solares son fabricadas en silicio, un semiconductor en el que las cargas
emitidas como electrones y huecos (h+) se movilizan a lo largo del sólido presente. Este
efecto, llamado dopado se puede introducir en el material superconductor mediante
agentes químicos como el boro (Tipo P) y el fósforo (Tipo N).
Ilustración 6. Constitución y Principio de una célula solar fotovoltaica
Fuente: Pareja Aparicio, M. (2010). Energía solar fotovoltaica. Cálculo de una instalación aislada. Barcelona:
Marcombo.
34
La realización de los procesos de dopaje con boro y fósforo lleva al establecimiento de
una diferencia de potencial entre las dos zonas de material ente las dos zonas del
material, que al conectar entre si y hacer incidir radiación electromagnética dan lugar a
la corriente eléctrica que recorrerá el circuito. Este fenómeno es conocido como efecto
fotovoltaico y permite que la celda fotovoltaica genere electricidad.
Clasificación de las celdas acorde a la estructura del material
Se distinguen tres categorías básicas, a saber:
Silicio monocristalino
Silicio policristalino
Silicio amorfo
Batería
En los sistemas fotovoltaicos las baterías o acumuladores fotovoltaicos se utilizan
principalmente como sistema de almacenamiento energético debido al desplazamiento
temporal que puede existir entre los periodos de generación (día) y los de consumo,
permitiendo la operación de las cargas cunado el generador FV por sí mismo no pueda
generar la energía suficiente para abastecer el consumo. (Escuela de Organización
Industrial, 2016)
Regulador
El regulador tiene como función fundamental impedir que la batería continúe recibiendo
energía del colector solar una vez que ha alcanzado su carga máxima. Si, una vez que
se ha alcanzado la carga máxima, se intenta seguir introduciendo energía, se inicia en
la batería procesos de gasificación (hidrólisis del agua en hidrógeno y oxígeno) o de
calentamiento, que pueden llegar a ser peligroso y, en cualquier caso, acortaría
sensiblemente la vida de la misma. (Jaén, 2016)
4.4.3. Índice de correlación de Spearman
La técnica de correlación es fundamental en la explicación de muchos fenómenos
relacionados con el campo animal y vegetal (Restrepo & González, 2007) y ha sido
utilizada con resultados positivos en el estudio de algunos aspectos de la calidad del
35
agua de los humedales de la Sabana de Bogotá y su relación con la diversidad de aves
acuáticas, así como en el estudio de los factores ambientales relacionados con la
presencia y abundancia de las aves de los humedales de la Sabana de Bogotá
(Sanmartín, 2011).
Son múltiples los casos particulares donde las técnicas de correlación son ampliamente
utilizadas, no sólo para evaluar el grado de dependencia entre ellas, sino también para
ver la bondad de ajuste de los modelos de serie de tiempo en la evaluación de las auto
correlaciones y en la convalidación de algunos supuestos.
El presente proyecto se enmarca en la meta de determinar la correlación entre algunos
parámetros fisicoquímicos y biológicos de un humedal de Bogotá con base a los
resultados obtenidos a partir de una tesis doctoral de la Universidad Nacional de
Colombia. Las aves son buenas indicadoras de la calidad del hábitat ya que integran
múltiples influencias ambientales y responden rápidamente a cambios en el
mismo.(Seigel, 2005)
Acorde a las investigaciones realizadas en algunos humedales de Bogotá, y en
diferentes lugares del mundo, el área total de un humedal es un factor frecuentemente
relacionado con la diversidad y abundancia de aves.
4.4.3.1. Coeficiente de correlación (Sanmartín, 2011)
El coeficiente de correlación, mide el grado de relación o asociación existente
generalmente entre dos variables aleatorias. No es conveniente identificar correlación
con dependencia causal, ya que, si hay una semejanza formal entre ambos conceptos,
no puede deducirse de esto que sean análogos. El coeficiente fluctúa entre -1 ≤ ρ ≤ 1
Se debe tener en cuenta que el coeficiente de correlación por sí mismo no puede probar
ni desmentir una relación causal entre variables. La relación causa – efecto es posible
definirla sólo a través de la comprensión de la relación natural que exista entre las
variables y esto no debe manifestarse sólo por la existencia de una fuerte asociación.
El análisis de correlación es técnicamente neutral.
36
4.4.3.2. Correlación de Spearman
Cuando las dos variables en el estudio de correlación no tienen distribución normal se
procederá con los rangos de mediciones para cada variable. Hay dos métodos de rango
de correlación, uno de Spearman y otro de Kendall. En caso de rango de correlación de
Spearman, después de dar los rangos a cada medición de la variable se usará la
ecuación siguiente para proceder con la operación.
rs = 1 – [6 ∑di 2 / (n 3 – n)]
Donde, di = diferencia entre rangos de X y Y. El valor de rs varía de “-1” hasta “+1” y no
tiene unidad, sin embargo, este valor es diferente del valor de r calculado por el método
de Pearson. (Restrepo & González, 2007)
Procedimiento de calculo
Para calcular la r de Spearman hay que realizar los siguientes pasos:
a. Ordenar los pares de datos en función del valor de x y asignar rangos a x.
b. Repetir la ordenación en función de y y asignar rangos a y.
c. Calcular el coeficiente:
Para comprobar la significación estadística del índice de correlación se consulta en la
Tabla 9 el valor crítico de rs para n pares de datos.
Tabla 9 Escala de interpretación para la correlación de Spearman
Fuente: Autoras.
37
5. METODOLOGIA
La presente investigación es de tipo aplicado y correlacional, pues plantea el diseño e
implementación de un dispositivo que permita la medición de parámetros fisicoquímicos,
así como su correlación con variables de tipo biológico.
La metodología del presente proyecto se divide en dos fases acorde a los objetivos
específicos. A continuación, se detalla la misma.
5.1. Diseño y calibración de un prototipo de medición de parámetros
fisicoquímicos y correlación estadística
En el marco del objetivo 1 del proyecto se puntualiza la metodología propuesta como
se expone a continuación
5.1.1. Formulación de la Hipótesis
El diseño de un prototipo basado en Software libre con sensores de optima precisión y
calibrado acorde a valores de referencia reportados por un equipo Multiparámetro con
certificado de calibración vigente, garantiza la confiabilidad de los datos reportados por
cada sensor del dispositivo y la alimentación del prototipo con energía solar, permite la
medición de las variables definidas a bajo costo.
Por otra parte, la determinación de correlaciones estadísticas por medio del dispositivo
garantiza el acceso confiable referente a las variables procesadas para su posterior
análisis.
5.1.2. Diseño de Variables
Las siguientes variables fueron propuestas para la comprobación de la hipótesis, a
continuación, se presentan clasificadas de acuerdo a su afinidad.
Progreso del diseño y calibración del prototipo acorde a la metodología
planteada.
pH, turbiedad, temperatura, riqueza total de aves acuáticas, espejo de agua y
correlación de Spearman.
38
5.1.3. Recolección de Datos
En este aparte se precisan las dos técnicas que se van a emplear según el tipo de
investigación aplicado y correlacional
Técnica de inspección de documentación y bibliografía relacionada con los
procedimientos para el diseño de un dispositivo de medición de pH, turbiedad y
temperatura en plataforma Arduino.
Técnica de observación y toma directa de datos resultantes de la calibración del
dispositivo y medición de temperatura, pH y turbiedad en campo
5.1.4. Instrumentos
A continuación, se muestran tres instrumentos utilizados para el cumplimiento del
objetivo específico número uno por que cumplen con los requisitos de validez y
confiablidad debido a que han sido puestos a prueba
Sensores de entrada digital para medición de pH, turbiedad y temperatura,
Arduino, protoboard, resistencias, diodos led, batería, inversor, panel solar,
cables.
Multiparámetro con certificado de calibración vigente. como fundamento
conceptual se consideran los procedimientos propuestos en otras
investigaciones para la calibración de sensores soportados en la plataforma
Arduino.
Datos resultantes de los muestreos (pH, temperatura y turbiedad) realizados en
tres puntos del humedal Santa María del Lago. Como fundamento conceptual,
se considera la teoría referente al análisis de correlación de Spearman.
5.1.5. Técnicas de Análisis de datos
La técnica empleada está encaminada a probar o disprobar la hipótesis. Los
procedimientos de registro, clasificación y codificación de datos son adecuados. Se
utilizan pruebas estadísticas acordes con la estructura del muestreo y con la
operacionalización que pretende
Efectuar un análisis comparativo y documental de dispositivos de medición con
funcionamiento similar al propuesto y soportados en Arduino. Acorde a la
39
información analizada, se define el procedimiento para el diseño final del
dispositivo.
Análisis cuantitativo de los datos: Consiste en la revisión de los datos reportados
por los sensores del prototipo diseñado en relación con los mismos datos
reportados por el equipo de control (Multiparámetro calibrado) con el que se
realiza la calibración del dispositivo. Para este propósito se toman cuatro (4)
mediciones de los parámetros de pH , temperatura y turbiedad a soluciones con
características fisicoquímicas conocidas y se compararán con cuatro (4)
mediciones realizadas con un Multiparámetro previamente calibrado (servirá de
blanco) y con un nivel de sensibilidad similar al de las sondas del dispositivo.
Con los datos obtenidos se determina un % de error inferior al 95%, que indicará
la calibración del dispositivo. Posterior a la calibración de los sensores se
procede a la toma de datos (pH, turbiedad, temperatura) en un punto del espejo
de agua del humedal Santa María del Lago durante dos sesiones diferentes. Con
respecto a las 30 mediciones de temperatura se ajustan al error que marca la
curva de calibración de la turbiedad y el pH.
Efectuar un análisis no paramétrico mediante la correlación de Spearman para
determinar la asociación entre parámetros fisicoquímicos y la riqueza total de
aves en el humedal Santa María del Lago.
5.1.6. Pregunta
¿Qué instrumento permite la obtención en tiempo real y confiable de los parámetros
fisicoquímicos (Temperatura, pH, Turbiedad) y su correlación con parámetros biológicos
en independencia de la red eléctrica a bajo costo?
5.1.7. Indicadores
Porcentaje (%) de diseño y calibración del prototipo=(Numero de pasos
ejecutados acorde a la metodología/Numero de pasos propuestos en la
metodología)*100.
Nivel de calibración del dispositivo=(Número de puntos muestreados con un
porcentaje de error inferior al 95%)/(número de puntos totales analizados)*100.
Correlación múltiple de Spearman entre % de espejo de agua, riqueza total de
aves acuáticas =
Información interpretada a partir del análisis de correlación múltiple de
40
Spearman/información recopilada para el análisis de correlación múltiple de
Spearman
Si la sumatoria de los porcentajes es ≥280%, entonces el objetivo se cumple.
5.1. Protocolo para el uso del prototipo e interpretación de datos
Elaborar un protocolo para interpretar la información recopilada de los
parámetros fisicoquímicos a partir del análisis de correlación múltiple de
Spearman con el fin de evaluar la interdependencia entre pH, turbiedad y
temperatura, el porcentaje de espejo de agua y la riqueza total de aves
acuáticas.
Para la elaboración del protocolo es necesario aplicar el método teórico para el momento
en el que se levanta la información base en cuanto a funcionamiento de los principales
componentes o partes del dispositivo, así como las especificaciones técnicas de los
mismos para posteriormente utilizar la investigación descriptiva como herramienta base
en la creación del protocolo o manual de uso.
5.2.1. Formulación de Hipótesis
Un protocolo que permita plasmar a detalle los procedimientos necesarios para
el uso del prototipo e interpretación de los resultados obtenidos a través de la
correlación de Spearman.
5.2.2. Diseño de Variables
La siguiente variable fue propuestas para la comprobación de la hipótesis.
Progreso en la construcción o elaboración del protocolo.
5.2.3. Recolección de Datos
En este aparte se precisa la técnica que se va a emplear para el cumplimiento del
objetivo específico numero dos.
Análisis, interpretación y organización sistemática de los datos obtenidos para la
determinación de los procedimientos de uso del dispositivo.
5.2.4. Instrumentos
Como instrumentos que brinden validez y confiabilidad se utilizan los procedimientos
ejecutados en el diseño y calibración del dispositivo.
41
5.2.5. Técnicas de Análisis de Datos
La técnica empleada está encaminada a probar o disprobar la hipótesis. Los
procedimientos de registro, clasificación y codificación de datos son adecuados. Se
utilizan pruebas estadísticas acordes con la estructura del muestreo y con la
operacionalización que pretende
Análisis documental de las herramientas y procedimientos empleados para la
medición y correlación de Spearman entre los siguientes parámetros: Turbiedad,
pH, temperatura, porcentaje de espejo de agua, riqueza de aves acuáticas.
5.2.6. Pregunta
¿Qué herramienta da soporte al uso de un instrumento que permite la obtención en
tiempo real y confiable de los parámetros fisicoquímicos (Temperatura, pH, Turbiedad)
y su correlación con parámetros biológicos en el Humedal Santa María del Lago?
5.2.7. Indicadores
Porcentaje (%) avances en la formulación del protocolo= (Numero de pasos
documentados acorde a la metodología/Numero de pasos ejecutados en la
metodología) *100.
42
6. RESULTADOS
Posterior a la aplicación de la metodología se consignan a continuación los resultados
del proceso investigativo, presentando la información acorde a los objetivos específicos
planteados.
6.2. Diseño y calibración del prototipo
El diseño del prototipo de medición de parámetros fisicoquímicos parte de la medición
de variables que evidencian la calidad del agua a través de tres sensores. Las lecturas
que muestran los mismos son tratadas e interpretadas a través de la plataforma de
hardware libre, Arduino (J, 2007).Esta plataforma interpreta los sensores y a su vez el
envío de los datos a un servidor local a través del puerto USB. Los parámetros a medir
por medio de sensores son temperatura, pH y turbiedad.
Para el diseño del prototipo se tuvieron en cuenta tres etapas:
Tabla 10. Etapas de diseño
Etapa 1 Montaje y programación de sensores
Etapa 2 Selección del panel Solar
Etapa 3 Correlación de Sperman
Etapa 3 Implementación y validación del
prototipo
Fuente: Autoras.
6.2.1. Etapa 1. Montaje y programación de sensores
En esta etapa se describe el funcionamiento del prototipo diseñado para tomar
mediciones de tres parámetros fisicoquímicos (Temperatura, pH y Turbiedad) del agua
en el Humedal Santa María el Lago y su relación con parámetros biológicos como
riqueza total de aves y físicas como porcentaje de espejo de agua.
Para el montaje inicial de los sensores y prueba de funcionamiento se tuvieron en cuenta
los siguientes pasos:
1. Identificar las partes de los sensores, cable de información y polo positivo y
negativo.
2. Identificar y definir pines de conexión en el Arduino Mega.
3. Una vez identificado las partes del sensor y el lugar de conexión de cada uno de
los cables se procede a realizar las conexiones correspondientes a cada uno de
los pines.
4. Conectar el circuito sensores-Arduino a través de la conexión USB al PC para
su alimentación y dar inicio a la programación desde la plataforma Arduino.
43
5. Una vez se incluye la totalidad del código para la programación a través de
Arduino es necesario revisar la estructura general para luego ser validada por la
plataforma en búsqueda de errores. Si no se detecta ningún error es posible
acceder al último paso, en el que se procede a correr y de esta manera iniciar el
registro de los datos tomados a través de algún sensor de parámetros
fisicoquímicos.
6. Arduino registra los datos de forma gráfica o numérica a través de su plataforma
por lo que a partir de ellos podemos proceder a calibrar los sensores y revisar el
correcto funcionamiento de los mismos.
NOTA: Paralelo al montaje se deben guardan con la extensión. ino el código de
programación de los sensores que se ejecutará para el procesamiento de datos.
A continuación, se muestra detalladamente el procedimiento para la prueba de
funcionamiento, montaje y programación de cada uno de los sensores.
En un primer momento los sensores utilizados para las mediciones de pH, turbiedad y
temperatura con características análogas son montados en una protoboard y
posteriormente conectados a un Arduino Mega, a continuación, se describe el
procedimiento con cada uno de los sensores utilizados.
6.2.1.1. Temperatura
El montaje del sensor de temperatura se realizó inicialmente en la protoboard como se
muestra en la Fotografía 2
44
Fotografía 2 Pruebas de conexión sensor de temperatura
Fuente: Autoras
El LM35 es un sensor de temperatura integrado de precisión, cuya tensión de salida es
linealmente proporcional a la temperatura en ºC (grados centígrados). Debido a su
sencillez de uso y costo es conveniente para aplicaciones como la desarrollada.y puede
reponerse de manera sencilla. A fin de garantizar el funcionamiento óptimo del sensor
se revisó la correcta ejecución del código y se calibró contando como elemento de
control con un termómetro digital. En el anexo 1 se reportan las diferentes temperaturas
registradas con el termómetro de control y el sensor LM35, obteniendo un R2=, que
garantiza la fiabilidad del sensor utilizado.
Para verificar los valores registrados por medio del sensor, se evaluaron los valores
reportados en el monitor serial como se muestra en la Fotografía 3.
45
Fotografía 3 Código sensor LM35 y monitor serial
Fuente: Autoras
6.2.1.2. pH
El montaje del pHmetro se realizó considerando las instrucciones del fabricante usando
una placa Arduino Uno para las pruebas iniciales y posteriormente un Arduino Mega
para la instalación final.
En la Fotografía 4 y Fotografía 5 se detallan algunas conexiones del montaje del sensor
SEN0161.
Fotografía 4 Conexiones pHmetro y arduino
Fotografía 5 Conexiones pHmetro y tarjeta
Fuente: Autoras
46
Luego de realizar el montaje y conexiones del sensor SEN0161 se realiza la
programación del código que orienta el funcionamiento del mismo, como se muestra en
la Fotografía 6
Fotografía 6 Codigo de sensor pH y monitor serial
Fuente: Autoras
Para la calibración del dispositivo con el sensor de pH, se usó de forma paralela un
pHmetro con certificado de calibración, se utilizaron cuatro soluciones de composición
conocida (soluciones Buffer) que permitieran realizar la comparación de los datos
obtenidos. En la Fotografía 7 y Fotografía 8 se aprecia la calibración realizada en
laboratorio
47
Fotografía 7 Validación pH con pHmetro del
prototipo
Fuente: Autoras
Fotografía 8 Verificación pH con multiparámetro
calibrado
Fuente: Autoras
6.2.1.3. Turbiedad
El sensor de turbiedad cuenta con un conversor análogo-digital que define la conexión
en cada uno de los pines y el código de programación del mismo en la plataforma de
Arduino. Para el diseño del prototipo este sensor se utiliza en modo análogo realizando
el montaje inicial en la protoboard de acuerdo al diagrama de conexión mostrado en la
Ilustración 5 y en la Fotografía 9
Fotografía 9 Conexión sensor de turbiedad
Fuente: Autoras
Una vez realizadas las correspondientes conexiones se procede a programar mediante
código en la plataforma de Arduino, verificando la variación del voltaje en relación con
48
la turbiedad del agua. En la Fotografía 10 se muestra los valores reportados en el
monitor serial
Fotografía 10 Código sensor de turbiedad y monitor serial
Fuente: Autoras
Para la calibración del dispositivo con el sensor de turbiedad, se usó de forma paralela
un turbidimetro con certificado de calibración, teniendo como base soluciones de
composición conocida que permitieran realizar la comparación de los datos obtenidos
(Ver Fotografía 11). Inicialmente, se obtuvo la turbidez en NTU de cada una de las
muestras en el medidor comercial, una vez conocida la turbidez de la muestra se
midió en el sensor construido (Ver Fotografía 12). Repitiendo el procedimiento anterior
en tres ocasiones, para cada una de las muestras se obtuvo la curva característica
del sensor, la cual se puede ver en el Anexo 1
49
Fotografía 11 Verificación turbiedad con equipo
calibrado
Fotografía 12 Validación turbiedad con sensor del
prototipo
Fuente: Autoras
Luego de obtener el dato preciso por cada una de las variables mencionadas
anteriormente, estos son almacenados en una micro SD para que posteriormente sean
descargados o extraídos con el fin de interpretar la información capturada.
El resultado final tras completar las pruebas de montaje inicial se puede observar en las
siguientes Imagenes
Fotografía 13 Presentación información en display
Fotografía 14 Versión final del prototipo
Fuente: Autoras
50
6.2.2. Etapa 2. Selección del panel Solar
Cálculo, definición y montaje de sistema de alimentación del prototipo con
energía solar
La fuente de energía del prototipo consiste en un panel solar capaz de proveer la
corriente necesaria para el funcionamiento del Arduino Mega y los sensores. Además,
cuenta con una batería que almacena la energía durante el día para los momentos de
ausencia de la misma. A continuación, se mencionan los aspectos a tener en cuenta
para la selección del panel solar más apropiado al diseño del prototipo:
1. Voltaje: Se selecciona un factor de seguridad de 1,5 o 2 V en relación con el voltaje
de la batería.
2. Corriente: Corriente del Arduino-Corriente de la carga. En este caso cada batería está
conformada por dos pilas AA nI mH
El voltaje de la batería=1,2 x2=2,4Voltios
Para obtener el voltaje del panel solar se considera un factor de seguridad de 2
2.4x2=4.8v
Tomando un margen de seguridad sobre el valor calculado, se selecciona un panel solar
de 5v
Los sensores y el Arduino tienen una corriente de 100mAh Teniendo en cuenta que la
capacidad de la batería es de 1300mAh
C/10 = 130mAh
El panel solar debe proveer una corriente de 100mAh al Arduino y no superar en ningún
caso 130mAh.
Tomando 100 mAh para la carga de la batería se calcula el total de la corriente
requerida:
TCR = 100+100=200mAh
Se requiere un panel solar de 5v 200mAh.
En la Tabla 11 se muestra una relación entre el almacenamiento de las baterías y los
paneles solares pequeños
51
Tabla 11. Almacenamiento de batería según panel solar.
BATERIA PANEL SOLAR
1.2V 2V ~ 2.5V
2.4V 3.5V ~ 4V
3.6V 5V ~ 6V
6V 7.5V ~ 9V
12V 15V ~ 18V
Fuente: Autoras
Cargador de batería
Para el funcionamiento de un Arduino Mega se requiere una fuente de alimentación de
5v. Para suministrar ese voltaje se puede acudió a la siguiente opción:
Se usaron 4 paquetes de baterías AA que proveen un Vnominal de 4,8V; no obstante,
este método es poco eficiente por lo que se hace uso de una fuente de alimentación
conmutada (booster circuit). En la Fotografía 15 se puede apreciar los detalles de
conexión del panel y batería. Adicionalmente se usó una resistencia de 5,1W.
Fotografía 15 Montaje del panel solar.
Fuente: http://cdn.instructables.com/FSZ/U0RA/HZQTF4Y3/FSZU0RAHZQTF4Y3.LARGE.jpg
52
A fin de garantizar el voltaje de alimentación del Arduino y eliminar las variaciones que
pudieran afectar el funcionamiento de los sensores, se dispuso de un regulador de
carga, que controla el voltaje nominal proveniente del panel solar sin registrar aumentos
de voltaje que pudieran afectar el funcionamiento integral del dispositivo.
Regulador
Este dispositivo controla el ciclo de carga y descarga de la(s) batería(s) de ciclo
profundo, además de protegerlas en caso de una sobrecarga o descarga excesiva.
Además de reducir la vida útil de la batería, una sobrecarga genera el riesgo de
explosión o incendio de la batería. Para proteger a las baterías, el regulador cierra en
forma automática el flujo de corriente eléctrica desde y hacia las baterías, o bien
emitiendo una señal visible o sonora (Global Compact ORG, 2016).
6.2.3. Etapa 3 Correlación de Sperman
Una vez se pasa por las fases uno y dos, se incluye una programación estadística
adicional que me permite obtener mediante una correlación de Sperman, datos de
correspondencia o relación entre variables fisicoquímicas y biológicas.
Por medio del análisis de correlación múltiple de Sperman se evalúa las relaciones entre
las variables fisicoquímicas, riqueza total de aves y porcentaje de espejo de agua, para
lo que es necesario utilizar el método de intercambio directo o ordenamiento de burbuja
en la programación del dispositivo, permitiendo así comparar cada par de elementos
adyacentes y ordenar de menor a mayor los datos obtenidos y de esta manera aplicar
la fórmula matemática de correlación Sperman.
A continuación, se detalla mediante una tabla el procedimiento que sigue el dispositivo
una vez realiza la toma de datos en el medio físico o área de estudio.
53
Tabla 12 Procesamiento de información para cálculo de correlación
ETAPA 1 CORRELACION 1 CORRELACION 2 CORRELACION 3
Turbiedad/Temperatura Turbiedad/pH Temperatura
/pH
Se selecciona la correlación con el resultado mas alto.(CX)
ETAPA 2 Correlación 4 Correlación 5
CX/%espejo de agua CX/riqueza total de
aves
Con la pareja de parámetros resultante se realiza una segunda correlación
pero esta vez teniendo en cuenta la riqueza de aves y porcentaje de espejo
de agua que es este caso es un valor constante.
Fuente: Autoras
6.2.4. Etapa 4. Implementación y Validación del Prototipo
Se hicieron pruebas de calibración previas al uso del prototipo tomando como referencia
los valores de pH y turbiedad reportados en un equipo de laboratorio calibrado
recientemente y usando sustancias de características conocidas. para de esta forma
tener en cuenta rangos máximos y mínimos de medida con alta exactitud y repetibilidad
a partir de la programación.
A fin de garantizar el funcionamiento del dispositivo en zonas sin acceso a la red
eléctrica, el dispositivo cuenta con un panel solar de 6v.(Ver Capitulo Selección del
Panel Solar)
Posteriormente a las pruebas realizadas en el laboratorio con el fin de calibrar cada uno
de los sensores a ser utilizados se inicia una fase final de prueba que mide el
funcionamiento integral del dispositivo en tres puntos del humedal Santa María del Lago
como se aprecia en la siguientes imágenes con el fin de comprobar el funcionamiento
del prototipo en condiciones naturales normales.
54
En cada uno de los puntos en el humedal Santa María del Lago se realiza mediciones
de parámetros como se muestra a continuación:
Fotografía 16 Puntos de muestreo Humedal Santa Maria del Lago
Fuente: Autoras
Los resultados obtenidos de los parámetros fisicoquímicos y su correlación con la
riqueza total de aves y porcentaje de espejo de agua se encuentran dentro de los rangos
establecidos, lo que permite comprobar la alta efectividad del dispositivo diseñado.
6.3. Protocolo del Dispositivo
A continuación, se describe mediante un protocolo de fácil acceso al usuario final el uso
y manejo del dispositivo diseñado, contemplando cuatro etapas
Introducción
6.3.1. ETAPA 1 Explicación Inicial
Para la protección de la calidad de las aguas del cuerpo natural de agua continental o
marino, el Estado por medio de sus Instituciones adscritas ha establecido protocolos de
monitoreo de aguas en cumplimiento de las normas vigentes y articuladas al SINA.
55
Como apoyo técnico a esta labor y con el fin de facilitar el uso del prototipo, se formulan
en el presente protocolo algunas medidas a tener en cuenta para su manejo seguro.
A continuación se enumeran los objetivos del protocolo
Uniformar y controlar el cumplimiento de las rutinas de trabajo para garantizar el
funcionamiento óptimo del dispositivo y evitar su alteración arbitraria.
Evitar la pérdida de información por errores que se den a causa de
desconocimiento de las tareas o procedimientos específicos.
Reducir los costos al aumentar la eficiencia general y el uso adecuado del equipo.
El alcance de este protocolo aplica básicamente para la medición de algunos
parámetros fisicoquímicos del agua en ecosistemas lenticos, específicamente en
humedales haciendo uso del prototipo diseñado. El personal encargado de la
manipulación del dispositivo deberá contar con conocimientos básicos de monitoreo en
calidad del agua. Al ser el proceso de captura de datos fisicoquímicos para
determinación de correlaciones, se trata de un proceso de mucho cuidado por lo cual
es muy importante dentro de cada uno de los sitios donde se realice esta tarea
se designen personas con los conocimientos y capacidades de manipular el dispositivo.
Como advertencias generales para el uso y cuidado del dispositivo se deben tener en
cuenta las siguientes consideraciones:
Conectar las sondas de medición previo encendido del equipo
Revisar que la SD se encuentre limpia al momento de su uso
No extraer ni ingresar la microSD antes de apagar el dispositivo, se puede generar un
error.
Lo sensores pueden permanecer por un máximo de 10 minutos en el agua, a fin de no
afectar su funcionamiento ni vida útil)
Revisar antes de cualquier medición el estado de las sondas (presencia de basura,
cristales sobre el electrodo) y en general, elementos que puedan afectar la lectura de
los parámetros.
56
6.3.2. ETAPA 2 Generalidades y funcionamiento del dispositivo
A continuación, se presentan las partes del dispositivo y su funcionamiento
Tabla 13 Partes externas del prototipo
PARTES
EXTERNAS
El dispositivo
cuenta con una
caja principal,
en la que se
ubica el panel
solar, batería,
tarjeta de
procesamiento
y display (1),
un cable
multipar (2) a
través del cual
se conduce las
señales
eléctricas
emitidas por
los sensores y
una balsa (3)
en la cual se
ubican los
sensores
Fuente: Autoras
Para conocer a detalle el funcionamiento del prototipo, se muestran las partes internas
de la caja principal, en la cual se encuentra el procesador así como otros componentes
del sistema del que depende buena parte del funcionamiento del mismo. Para proteger
de daños los elementos electrónicos más sensibles del dispositivo, se han ubicado en
este compartimento.
57
Tabla 14 Partes internas del prototipo
PARTES
INTERNAS
1. Shield
arduino
microsd
2. Batería
3. Interruptor
de encendido
del dispositivo
4. Regulador
de carga
5. Display
6. Arduino
mega
7. Cable de
conexión a
panel solar
8. Conexión
cable multipar
Fuente: Autoras
A fin de hacer más cómodo el uso de los sensores y la toma de información, el
dispositivo cuenta con una balsa flotante que puede ubicarse en el cuerpo de agua para
realizar las mediciones necesarias sin dificultades operativas. En este soporte flotante
se encuentran ubicados los sensores y facilita la manipulación del equipo, como se
observa en la Fotografía 17
58
Tabla 15 Partes de la balsa-soporte flotante
PARTES BALSA
1. Conector cable
multipar
2. Cable multipar
3. Balsa con sensores
PARTES SOPORTE
INFERIOR BALSA
1. Sensor pH
2. Sensor turbiedad
3. Sensor de turbiedad
4. Balsa
59
Fotografía 17 Soporte flotante en humedal Santa María del Lago
Fuente: Autoras
El funcionamiento del prototipo se detalla considerando tres elementos:
Representatividad de la información
Localización del dispositivo
Lectura y almacenamiento de los datos
La determinación de parámetros fisicoquímicos en los espejos de agua de los
humedales se realiza por diversas razones, algunas para análisis e investigación
del ecosistema, para definición de operaciones o actividades locales de protección del
humedal y para monitoreo constante de la calidad del agua y evolución o cambios que
surjan en estos espacios y afecten directamente su estructura ecológica.
Representatividad de la información
La densidad o resolución requerida de datos observados está relacionada con las
escalas temporales y espaciales apropiadas para los fenómenos que han de
analizarse.
La diversidad de resultados en torno al estudio de los factores relacionados con la
biota y los factores ambientales relacionados con la presencia y abundancia de aves
en los humedales de la Sabana de Bogotá es de particular interés pues además
de tratarse de una zona de importancia por sus características biogeográficas
excepcionales, está a una elevación y latitud en la que no se ha explorado la
60
posible influencia de una gama multiescala de factores (desde el paisaje hasta el
microhábitat) que expliquen la composición de la avifauna remanente de esta
región por lo cual la información obtenida por medio del dispositivo es de especial
interés para el desarrollo de posteriores estudios.
Los datos reportados por el prototipo señalan características en el momento del
monitoreo y sólo pueden ser representativos en medida que la frecuencia y/o números
de puntos analizados garanticen que las características que se quieren observar en la
población quedan expresadas apropiadamente en la muestra (Galindo, 2013)
Localización del dispositivo
Si bien no se define una disposición exclusiva del dispositivo, se deben tener en cuenta
las siguientes consideraciones para su uso:
1. Ubicar el soporte flotante en puntos previamente estudiando que la inestabilidad de
la balsa permita el contacto del agua con algún componente electrónico
2. Debido a la disposición de los sensores, la toma de datos se realizará exclusivamente
en la superficie del espejo de agua.
Se debe revisar que la parte interior de la balsa esté completamente seca y protegida
de la humedad.
Lectura y almacenamiento de datos
Como se observa en la imagen, el display muestra los valores correspondientes a las
tres parámetros medidos directamente en el agua (Ph, TEMPERAT RA Y TURBIEDAD),
los cuales se pueden diferenciar por su color: rojo, violeta o amarillo.
En la cuarta línea se presenta el resultado de la correlación de Spearman entre estas
variables de la siguiente forma:
Tabla 16 Presentación de resultados en display
VARIABLES RESULTADO
PH/T Muestra la correlación de
Spearman entre 10
valores de pH y
temperatura
61
VARIABLES RESULTADO
T/T Muestra la correlación de
Spearman entre 10
valores de turbiedad y
temperatura
T/PH Muestra la correlación de
Spearman entre 10
valores de pH y turbiedad
Fuente: Autoras
El programa del dispositivo selecciona la pareja de variables con el valor más alto
realizando nuevamnete una correlación estadística enre éstas y el % de espejo de agua
y la riqueza total de aves. Los resultados son mostrados en la línea como se muestra a
continuación
Así por ejemplo si la correlación más alta fue calculada para el par Turbiedad-
Temperatura, el programa ejecutará la correlación estadística siguiente
Tabla 17 Presentación de correlaciones en display
T/AVES Muestra la correlación de
Spearman entre 10
valores de riqueza total
de aves y turbiedad
T/AGUA Muestra la correlación de
Spearman entre 10
valores de % de espejo
de agua y turbiedad
T/AGUA Muestra la correlación de
Spearman entre 10
valores de % de espejo
de agua y temperatura
T/AVES Muestra la correlación de
Spearman entre 10
valores de riqueza total
de aves y temperatura
Fuente: Autoras
De los resultados anteriores se puede determinar con facilidad la correlación más alta
entre las variables analizadas
Los datos reportados de cada medición son almacenados como archivo plano en la
microSD que puede ser descargar y manipular para posteriores análisis
62
6.3.3. ETAPA 3 Parámetros de Medición
El dispositivo realiza mediciones simultáneas de pH, temperatura y turbiedad que son
almacenadas en una microSD con una frecuencia de 10 milisegundos para cada toma
de datos. Posteriormente se realiza una correlación estadística entre estas variables
mostrando los datos en el display. A continuación, se reseña brevemente la definición
de cada variable, así como la descripción del sensor
Temperatura
La temperatura es la condición que determina la dirección del flujo neto de calor entre
dos cuerpos.” Esta magnitud permite expresar el grado de calentamiento o enfriamiento
de los cuerpos.
A escala microscópica, la temperatura es proporcional al grado de agitación interna de
las moléculas que integran un cuerpo.
La determinación de la temperatura del agua en el espejo de agua de los humedales es
importante a causa de sus efectos sobre la solubilidad del oxígeno y, en consecuencia,
sobre las velocidades en el metabolismo, difusión y reacciones químicas y bioquímicas.
Descripción breve del sensor
El sensor seleccionado cuenta con las siguientes características:
Directamente calibrado en grados Celsius
Exactitud de ±0.5 °C a temperatura ambiente (25 °C), y ±0.8 °C en el
rango completo
Bajo autocalentamiento: 0.08 °C con aire en reposo
Lineal. Salida de 10 mV/°C
Voltaje de operación: 4 V a 30 V
Consumo de corriente: < 60 μA típico
Baja impedancia de salida: 0.1 Ω con carga de 1 Ma
Temperatura de operación: -55 °C a +150 °C
Encapsulado: TO-92
pH
63
pH es un número que describe el número de iones ácidos (iones de hidrógeno)
presentes en el agua. El agua pura tiene un pH de 7.0. Esto significa que el agua
contiene 1 X 107 moléculas de iones de hidrógeno por litro. Como pueden ver, trabajar
con el pH es más fácil que usar los números de concentraciones. Mientras que el pH
disminuye en una unidad, los iones ácidos aumentan por un factor de diez. pH 4 es
ligeramente ácido, mientras que pH 2 y más abajo, es fuertemente ácido. Las sustancias
que tienen un pH mayor a 7 son consideradas soluciones alcalinas
Descripción breve del sensor
Medidor de pH analógico, de facil uso en Arduino. Este sensor cuenta con un LED que
funciona como indicador de encendido, un conector BNC y la interfaz de sensor de pH
2,0. De fácil conexión, este elemento usa un conecor BND hacia la interfaz pH 2,0 en el
puerto de entrada analógica de cualquier controlador Arduino.
El sensor cuenta con las siguientes características:
- Alimentación: 5 V
- Rango de medición: 0-14pH
- Medición de Temperatura: 0-60 ℃
- Precisión: ± 0.1 pH (25 ℃)
- Tiempo de respuesta: ≤ 1 min
- Sensor de pH con conector BNC
- Ajuste de ganancia del potenciómetro
-Indicador LED de alimentación
- Tamaño de módulo: 43mmx32mm
Turbiedaf
La turbiedad es una expresión de la propiedad óptica que causa la luz al ser dispersada
y absorbida en vez de transmitida sin cambios en la dirección del nivel de flujo a través
de la muestra. Esta característica del agua se debe a la presencia de partículas
suspendidas y disueltas. Materia en suspensión como arcilla, cieno o materia orgánica
e inorgánica finamente dividida, así como compuestos solubles coloridos, plancton y
diversos microorganismos aumentan la turbiedad del agua.
64
Descripción breve del sensor
Medidor con salidas análogas y salidas digitales. El nivel de comparación es ajustable
cuando se utiliza la modalidad de salida digital. Este sensor utiliza la luz para detectar
las diferentes partículas suspendidas en el agua por medio de las tasas de dispersión y
transmitancia, las cuales cambian con las diferentes cantidades totales de sólidos
suspendidos (TSS) en el agua.
A continuación se señalan las características del sensor
Voltaje de operación: 5V DC
Corriente de operación: 40mA (MAX)
Tiempo de respuesta : <500ms
Resistencia de aislamiento: 100M (Min)
Método de salida:
Salida analógica: 0-4.5V
Salida digital: Alto/bajo nivel de señal (se puede ajustar el valor umbral por medio
del potenciómetro)
Temperatura de operación: 5℃~90℃
Temperatura de almacenamiento: -10℃~90℃
Peso: 30g
Dimensiones del adaptador: 38mm*28mm*10mm/1.5inches
*1.1inches*0.4inches
6.3.4. ETAPA 4 Procedimientos
Procedimientos de medición
Teniendo en cuenta que el dispositivo debe medir simultáneamente los parámetros de
turbiedad, pH y temperatura para realizar la correlación de Spearman de las variables
fisicoquímicas, se debe considerar el siguiente procedimiento:
1.Comprobar que el dispositivo cuenta con microSD para almacenar la información y la
batería se encuentra cargada. Se pude hacer uso de energía convencional conectando
la tarjeta a un cargador de 5v para celular.
2. Encender el equipo. La pantalla deberá encenderse y tomará alrededor de 10minutos
para arrojar los primeros resultados de las correlaciones en la pantalla. El dispositivo
65
toma un medición cada 10 milisegundos y ejecuta la correlación de Spearman cada 10
segundos.
3. Al finalizar las mediciones realizadas, se debe apagar el equipo y revisar la integridad
del dispositivo. Es posible que el soporte flotante sufra salpicaduras.
4. Secar el equipo y calibrar los sensores para próximas mediciones.
b. Procedimientos de mantenimiento y calibración
A fin de mantener el dispositivo en buenas condiciones para ofrecer resultados
confiables se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones
Tabla 18 Procedimientos de mantenimiento y calibración de sensores
ACTIVIDAD FRECUENCIA
Limpieza de sensores. Se deben limpiar con agua destilada y secar (en el caso del
sensor de turbiedad y temperatura). El sensor de pH debe mantenerse en una
solución de KCl
Mensual
Calibración de sensores: Los datos reportados por los sensores deben ser
validados tomando como referencia los valores reportados por un multiparámetro
calibrado y con certificado vigente. Para el pHmetro se deben usar soluciones buffer
de 4, 7 y 10 unidades comparando los valores reportados para cada uno de los
líquidos.
En el caso del sensor de turbiedad se debe comparar la turbiedad reportada por el
sensor en tres líquidos de turbiedad conocida con los valores registrados con un
turbidímetro convencional
Mensual
Fuente: Autoras
66
7. DISCUSIÓN DE RESULTADOS
En este apartado se analizan los resultados obtenidos como producto del diseño del
prototipo y elaboración del protocolo para su uso
1. Diseño del prototipo
En la actualidad la posibilidad de diseñar construir e implementar el uso de dispositivos
y equipos científicos de bajo costo ha aumentado considerablemente pudiendo acceder
incluso a algunas guías para su diseño en la red. La alternativa real y factible de acceder
a herramientas para el desarrollo de este tipo de elementos estimula la creación de
nuevos instrumentos. Esta opción ha abierto la posibilidad para que los investigadores
construyan sus propias herramientas a bajo precio y con similares prestaciones a los
equipos comerciales usados en laboratorios. Las ventajas de este tipo de tecnologías
son: equipos que se adapten a las necesidades, con los elementos que se encuentren
disponibles en el mercado lo que facilita su uso e incluso la masificación de los mismos
para condiciones específicas.
Con el objetivo de reducir la dependencia tecnológica, fomentar la industria local y
reducir los costos de la implementación de este tipo de herramientas se ha diseñado
diversos sistemas de medición que facilitan el monitoreo de parámetros y el
almacenamiento y acceso a información. Se destaca el diseño de un sistema para
medición y supervisión en plantas de tratamiento de agua desarrollado para llevar un
control del funcionamiento adecuado de varios equipos para que analizan variables de
calidad del agua en esta misma línea de investigación (Hugo A. Araya García, 2015),en
tanto el trabajo “Diseño e implementación de un sistema de monitoreo y control de
humedad y temperatura para invernaderos con administración SNMP”, implementa el
uso de un procesador Arduino Uno y herramientas de software libre para el monitoreo
continuo de parámetros y envío de alertas al usuario final. (Chimbo, 2016). Son varios
los proyectos que en la actualidad preteneden brindar a partir del uso de software libre
soluciones a diferentes problemáticas. Reflejo de esta situación es la aparición de
espacios como FLISOL o Festival Latinoamericano de Instalación de Software Libre, el
evento de difusión de software libre más grande en Latinoamérica
67
Diversos proyectos de investigación han enfocado sus esfuerzos en garantizar el acceso
de comunidades a información confiable sobre variables de calidad del agua o de
evaluación de procesos en acuicultura (Diana Rivera, 2016), invernaderos (Oziel Lugo,
2016) y estaciones meteorológicas (Carlos, 2013) teniendo en cuenta que el monitoreo
de ciertas variables puede convertirse en un punto crítico para el aumento de la
productividad en las actividades económicas y se traduce a su vez en la optimización
de procesos. El análisis de la calidad del agua se constituye también en una de las
temáticas ampliamente analizadas a través del lente del uso del software libre y del uso
de plataformas que como Arduino dinamizan la creación de herramientas, no obstante
la inclusión de procesos de pos-procesos de la información dentro de la programación
de los dispositivos es aún incipiente y se enfoca en la oferta de alarmas o alertas ante
un estímulo (por ejemplo encender un led o enviar un SMS si una variable esta fuera de
rango), pero no en el análisis estadístico de los datos almacenados
Según la investigación realizada por Cristian Román Herrera titulada “Construcción con
tecnología abierta de un sensor de turbidez de bajo costo, hoy en día es posible construir
equipos científicos de bajo costo, incluso algunos diseños se encuentran totalmente
libres en el Internet. La tendencia en el uso de estos equipos se ha acrecentado a tal
punto que existe software comercial como Matlab y LabView que han incluido librerías
para trabajar con este tipo de placas. Por ejemplo, se utilizan para realizar trabajos en
conjunto por Internet con LabView y diferentes equipos y también para el control de un
robot bípedo a través de Matlab. En general, estas aplicaciones van desde el control de
diversos motores, sensores, etc. hasta el uso de visión artificial, internet, wireless; por
decir algunas de las principales aplicaciones que tienen actualmente
El desarrollo de prototipos autónomos ha constituido a su vez un nicho de investigación
que tiene por objetivo facilitar la toma de datos sin generar grandes movimientos
operativos y de logística. Al igual que el “Desarrollo de un medidor de bajo costo para la
determinación de calidad química del agua alimentado con energía solar” el proyecto
pretende garantizar la independencia del funcionamiento del sistema descontando el
uso de fuentes de energía convencionales
Uno de los estudios más importantes para el enriquecimiento de esta investigación
corresponde a la tesis de doctorado Factores ambientales relacionados con la
presencia y abundancia de las aves de los humedales de la Sabana de Bogotá
68
desarrollada por Loreta Rosselli Sanmartín de la Universidad Nacional de Colombia por
medio de la cual se Identificaron y cuantificaron las variables de humedales de la
Sabana de Bogotá que se correlacionan con la presencia de aves en general y la
abundancia de un grupo selecto de especies de aves con miras a aportar elementos
para su conservación. Esta investigación utiliza como base para la obtención de
resultados los Sistemas de Información Geográfico, imágenes remotas, software
estadístico y avistamiento de aves, no obstante carece del apoyo de instrumentos y
herramientas electrónicas que faciliten la actividad investigativa y permitan el análisis de
volúmenes de información mayores a los planteados
Estas iniciativas se enfocan especialmente en el desarrollo de dispositivos que midan y
transmitan información confiable al usuario final dejando de lado el análisis de las
variables analizadas.
A diferencia de estos proyectos, el desarrollo del prototipo tiene por objetivo analizar
mediante la correlación de Spearman la posible asociación entre los parámetros objetos
de estudio. La inclusión del análisis de correlación estadística adicional al
almacenamiento de datos reportados para las variables monitoreadas ofrece al
investigador acceso a información confiable. Adicionalmente, el uso de energía solar
para el funcionamiento del dispositivo garantiza la robustez del prototipo en cuanto a
tiempo de uso y continuidad de toma de datos.
69
8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El equipo de trabajo logro diseñar y calibrar un prototipo de medición de
parámetros fisicoquímicos alimentado con energía solar y basado en Arduino
para la obtención de datos de temperatura, pH y turbiedad, el cual fue probado
en el Humedal Santa María el Lago obteniendo mediciones precisas y en tiempo
real.
Se elaboró un protocolo para interpretar la información recopilada en campo de
los parámetros fisicoquímicos a partir del análisis de correlación múltiple de
Spearman con el fin de evaluar la interdependencia entre pH, turbiedad y
temperatura, el porcentaje de espejo de agua y la riqueza total de aves
acuáticas. Este se constituye en un avance importante para futuras
investigaciones que requieran la utilización del dispositivo y de esta forma
garantizar su correcto funcionamiento y la confiabilidad en los datos.
Se recomienda realizar un análisis multi-temporal que permita establecer a
mayor detalle la correlación entre las variables analizadas y que puedan ser de
interés en el estudio de los humedales toda vez que los valores de riqueza de
aves y porcentaje de espejo del agua al ser tomados como constantes pueden
sesgar los resultados.
El prototipo a pesar de superar pruebas de funcionamiento que le permite al
grupo entregar la versión mejorada con la capacidad de generar información de
importancia científica en el humedal Santa María el Lago y en otros humedales
de la ciudad, es posible darle continuidad a la investigación al incluir funciones
adicionales que optimicen el mismo como por ejemplo sincronización en la red
de los datos obtenidos.
70
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