Made by Juan Pablo Corral and Juan Esteban Ocampo
Colombia es un país con una diversidad geográfica y sus patrones climáticos que cambian constantemente, se enfreta con bastante frecuencia a crecidas de ríos, especialmente en las temporadas de lluvias y de fenómenos como "La Niña". Esto provoca inundaciones que pueden tener un impacto negativo en la comunidades y en la infraestructura, como ocurrió en 2024 en Bogotá y en otras regiones del País.[1]
Este proyecto se centra en desarrollar un prototipo de sistema IoT (Internet of Things) para monitorear en tiempo real el nivel del agua en los ríos y detectar posibles crecidas de manera temprana. A diferencia del primer y segundo prototipo, este sistema incorpora un Gateway IoT (implementado en una Raspberry Pi) que recibe los datos del ESP32 vía MQTT, los almacena localmente en una base de datos SQLite para mayor robustez, y los retransmite, también vía MQTT, a una plataforma IoT en la nube (Ubidots). El sistema utiliza un microcontrolador ESP32 [2], una Raspberry PI y sensores ultrasónicos y de lluvia para medir el nivel del agua y las precipitaciones. En caso de detectar un aumento peligroso en el nivel del río, el sistema genera alertas visuales (LED RGB) y auditivas (zumbador) in situ, y además, notifica a las autoridades a través del tablero de control. Esto permite a las autoridades no solo recibir alertas locales (visuales y auditivas) y consultar un tablero de control local vía WLAN, sino también acceder a un tablero de control global en la plataforma Ubidots desde cualquier navegador web (PC o celular) conectado a Internet, desde cualquier parte de Colombia. Este tablero global permite visualizar datos actuales e históricos, recibir notificaciones de eventualidades y desactivar alarmas físicas remotamente.
Este prototipo es el último paso hacia la implementación de un sistema de alerta temprana que podría ayudar a proteger a las comunidades y mitigar daños ocasionados por las inundaciones.
Las crecidas de los rión en Colombia representan una amenza constante, con unas posibles consecuencias que pueden ser devastadoras. Además de posibles muertes, este tipo de desastres pueden ocasionar la destrucción de viviendas, dañar infraestructuras y afectar la economía de las comunidades.
Por esto mismo, es fundamental contar con medidas de prevención y mitigación que ayuden a reducir estos riesgos. La implementación de sistemas de IoT de monitoreo en tiempo real permite detectar crecidas con antelación, brindando alertas tempranas tanto a las autoridades como a la población. En este contexto, un tablero de control accesible globalmente, sumado al local, se convierte en una herramienta esencial para que las autoridades tomen decisiones informadas e implementen medidas preventivas eficazmente, minimizando daños. La adición de un Gateway y una plataforma cloud robustece el sistema, asegurando la disponibilidad de datos y permitiendo análisis más profundos
Este proyecto busca abordar el problema de las crecidas de ríos proporcionando información y alertas tempranas y precisas sobre los niveles de agua. Gracias al uso de sensores ultrasónicos y de lluvia, el sistema puede medir el nivel del agua y detectar cambios repeninos que indiquen un posible riesgo de inundación.
Una de las principales ventajas es la capacidad de emitir alertas visuales y sonoras, directamente en el lugar, permitiendo asi advertir a las personas cercanas y autoridades necesarias, incluso si no se tiene acceso a internet o a otros medio de comunicación. Además de la emisión de alertas visuales y sonoras in situ, para advertir a las personas cercanas, este prototipo incorpora un "tablero de control" accesible a través de la WLAN. Adicionando, la un Gateway (Raspberry Pi) que almacena datos (SQLite) y los envía a una plataforma cloud (Ubidots) usando MQTT, ofreciendo asi:
- Acceso Global: Monitoreo y control remoto desde cualquier lugar a través de ubidots.
- Robustez: Almacenamiento local en el Gateway que previene pérdiad de datos si la conexión a la nube falla.
- Escalabilidad: Facilita la gestión de multiples puntos de monitoreo desde una plataforma centralizada.
- Análisis: La plataforma cloud permite almacenar históricos mas largos y aplicar herramientas de análisis de datos.
En resumen, el sistema facilita el monitoreo continuo tanto para la población como para las autoridades, contribuyendo a una mejor preparación y respuesta ante posibles emergencias.
Este documento técnico describe el diseño, desarrollo, implementación y validación del prototipo del sistema IoT para el monitoreo de crecidas. La documentación se organiza de la siguiente manera:
- Sección 2: Solución propuesta. Se presentan las restricciones de diseño, la arquitectura del sistema (tanto en hardware como en software), el desarrollo teórico modular y los estándares utilizados en el diseño con especial énfasis en el diseño e implementación del servidor web embebido y el tablero de control.
- Sección 3: Configuración experimental, resultados y análisis. Se describe el entorno de prueba incluyendo la configuración para probar el acceso y funcionamiento del tablero de control desde diferentes dispositivos, los resultados obtenidos y el análisis de los datos recopilados.
- Sección 4: Autoevaluación del protocolo de pruebas. Se evalúa la efectividad del protocolo de pruebas implementado y se propones posibles mejoras.
- Sección 5: Conclusiones, retos, trabajo futuro y referencias. Se resumen los principales logros del proyecto, los desafíos enfrentados durante su desarrollo, las oportunidades de mejora y las referencias bibliográficas utilizadas.
- Sección 6: Actas de Reuniones y Definición de Roles
- Sección 7: Anexos. Se incluyen el código fuente, los esquematicos del sistema y otro material complementario.
- Sección 8: Video demostrativo. Se presenta un video explicativo que muestra el funcionamiento del prototipo en acción.
El desarrollo del prototipo de sistema de IoT para el monitoreo de crecidas estuvo sujeto a diversas restriscciones de diseño las cuales se presentan a continuación:
- Rango del sensor ultrasónico: El sensor HC-SR04 tiene un rango de medición de 2 cm a 400 cm [3]. Debido a las limitaciones del tamaño del recipiente en el que se efectuaron las pruebas, se mapeó el rango de la siguiente forma: Cada centímetro detectado por el sensor representaba un metro en la escala de un río real. Por lo tanto, una distancia medida de 7 cm por el sensor ultrasónico se consideró como el umbral de "Nivel Normal" (equivalente a 7 metros en el río real). Una distancia de 4 cm medida por el sensor se consideró como el umbral de "Posible Crecida" (equivalente a 10 metros en el río real). Distancias menores a 4 cm se consideraron como "Peligro". Esta escala se implementó en el código de la ESP32 para definir los umbrales de control.[4][5] El trabajo futuro podría explorar sensores con mayor alcance para monitorear ríos más grandes o con variaciones de niveles más sutiles.
- Limitaciones de la pantalla LCD: La pantalla LCD 16x2 solo puede mostrar una cantidad limitada de caracteres y/o símbolos, lo que restringe cuanta información al tiempo se pude evidenciar.
- Rendimiento del servidor web embebido: El microcontrolador ESP32 tiene recursos limitados memoria, capacidad de procesamiento, lo que impone restricciones en el número de usuarios concurrentes que pueden acceder al tablero de control y en la complejidad de la interfaz web. [1]
- Conectividad WLAN: La fiabilidad de la conexión WLAN puede verse afectada por la distancia al punto de acceso, la presencia de obstáculos y las interferencias.[6]
- Conexión a internet estable: para el correcto funcionamiento de la Raspberry Pi y la comunicación con la plataforma Cloud (Ubidots).
- **Latencia: **fiabilidad y latencia del broker mqtt debido a que los datos, se demoraban un poco transmitirse.
- Plan gratuito Ubidots: frecuencia de envío de datos, número de variable, número de dashboards, retención de datos históricos etc.
- Latencia Total: Entre todo el sistema, desde los sensores hacia la ESP32 de ahí hacia la RPi y de ahí hacia Ubidots.
- Solo uso de los sensores en aula de clase: Dado que los dispositivos y los sensores son parte de la universidad, estos solo estaban disponibles en el horario de clases o un horario permitido dentro de la universidad.
- Tamaño compacto: El diseño debe ser fácil de instalar y transportar.
- Expansión: Diseñado para monitorear un solo punto, pero con posibilidad de escalar a múltiples ubicaciones. Además con posibilidad de incluir sensores mas precisos y con diferentes tecnologías para un río de verdad.
- Tiempo limitado para el desarrollo: El tiempo disponible para el desarrollo e implementación del prototipo fue limitado, dado que los sensores solo estaban disponibles en horario de clase o horario permitidos dentro de la universidad lo que requirió priorizar funcionalidades y el proceso de diseño y construcción.
- Seguridad del acceso al tablero de control: Se deben implementar mecanismos de seguridad para restringir el acceso al tablero de control solo a usuarios autorizados (por ejemplo, mediante autenticación).
- Protección de datos: Se deben proteger los datos en tránsito (MQTT con TLS si es posible, credenciales Ubidots) y en reposo (base de datos SQLite). Asegurar acceso a la Raspberry Pi.
- Compatibilidad con navegadores web: El tablero de control (local y global) debe ser compatible con los navegadores web más comunes (por ejemplo, Chrome, Firefox, Safari) y con diferentes dispositivos (PC, teléfono celular).
- LCD 16x2:
- RS pin: ESP32 pin 2
- Enable pin: ESP32 pin 15
- D4 pin: ESP32 pin 18
- D5 pin: ESP32 pin 19
- D6 pin: ESP32 pin 21
- D7 pin: ESP32 pin 22
- Sensor ultrasónico (HC-SR04):
- TRIG pin: ESP32 pin 13
- ECHO pin: ESP32 pin 12
- LED (Verde):
- Pin del LED: ESP32 pin 14
- LED (Rojo):
- Pin del LED: ESP32 pin 5
- LED (Azul):
- Pin del LED: ESP32 pin 4
- Zumbador:
- Pin del zumbador: ESP32 pin 23
- Sensor de lluvia (SunFounder):
- Pin analógico: ESP32 pin 32
- Red:
- Configuracion WLAN (SSID, Password) para ESP32 y RPi, configurarición IP.
- MQTT:
- Dirección del Broker (IP de RPi, URL de Ubidots) Puerto 1883, Topics y Credenciales.
Para construir el prototipo funcional del sistema IoT destinado a monitorear y detectar crecidas en ríos de Colombia, se adoptó un enfoque modular, dividiendo el sistema en componentes con funciones específicas. Este diseño facilita la implementación, el mantenimiento y la escalabilidad del sistema, al tiempo que cumple con las restricciones técnicas, económicas y regulatorias identificadas. Cada módulo fue desarrollado considerando estándares de diseño de ingeniería y los requerimientos mínimos establecidos, como la monitorización en tiempo real, la notificación in situ y el acceso local y global mediante un "Tablero de control". A continuación, se describen los módulos, sus criterios de diseño, implementación y justificación teórica.
- Sensor de lluvia SunFounder:
Función: Detectar la presencia y la intensidad de la lluvia para activar alertas ante condiciones que puedan derivar en crecidas.
Criterios de diseño: Se seleccionó un sensor analógico de lluvia SunFounder por su capacidad para medir cambios en la conductividad eléctrica al contacto con el agua, ofreciendo una salida proporcional a la intensidad de la precipitación. Su sensibilidad ajustable permite adaptarlo a las condiciones locales de Colombia.
Implementación: El sensor genera valores entre 0 y 1023, donde 0 indica ausencia de agua y 1023 representa saturación completa. Estos valores se procesan en el ESP32 y se escalan en cuatro estados discretos: "SIN LLOVIZNA" (0-255), "LLOVIZNA" (256-511), "LLUVIOSO" (512-767) y "TORMENTA" (768-1023). La discretización se realiza en el hilo TaskSensoresLCD para optimizar la respuesta del sistema.
Justificación teórica: La elección de un sensor analógico frente a uno binario permite una medición más precisa y graduada de la precipitación, esencial para un sistema de alerta temprana. La discretización en cuatro niveles sigue principios de procesamiento de señales, facilitando la toma de decisiones basada en umbrales definidos.
- Sensor ultrasónico HC-SR04
Función: Medir el nivel del agua en el río mediante la detección de la distancia desde el sensor hasta la superficie.
Criterios de diseño: Se optó por el HC-SR04 debido a su precisión (±3 mm) y rango de medición (2 cm a 400 cm), adecuado para ríos colombianos. Su tecnología ultrasónica lo hace resistente a condiciones ambientales adversas y no invasivo.
Implementación: Conectado al ESP32, el sensor mide la distancia mediante un pulso de disparo y el tiempo de retorno del eco. Las mediciones se ejecutan en el hilo TaskUltrasonido, que opera cada 2 segundos para garantizar datos actualizados sin interferir con otras tareas.
Justificación teórica: La medición ultrasónica es un estándar en monitoreo de niveles de agua por su fiabilidad y bajo costo. El uso de un hilo separado en FreeRTOS optimiza la concurrencia y asegura mediciones periódicas, alineándose con los principios de diseño de sistemas embebidos.
- Alarma (LED RGB y zumbador)
Función: Emitir alertas visuales y sonoras in situ según los niveles de peligro detectados por los sensores.
Criterios de diseño: Se diseñó un sistema de alarma combinando un LED RGB y un zumbador para maximizar la percepción en entornos ruidosos o de baja visibilidad. Los estados se representan como: verde (seguro), azul (precaución) y rojo con sonido continuo (peligro).
Implementación: Controlado desde el ESP32 en el hilo TaskSensoresLCD, el sistema activa las alarmas según umbrales predefinidos de nivel de agua y precipitación, con posibilidad de desactivación remota desde el "Tablero de control".
Justificación teórica: La combinación de señales visuales y sonoras mejora la efectividad de las alertas, siguiendo principios de diseño de interfaces de usuario para sistemas críticos. La opción de control remoto cumple con los requerimientos de flexibilidad y accesibilidad.
- Pantalla LCD 16x2
Función: Mostrar en tiempo real el nivel del agua y el estado del sistema para operadores locales.
Criterios de diseño: Se eligió una pantalla LCD 16x2 por su bajo consumo, facilidad de integración con el ESP32 y capacidad para presentar datos esenciales de forma clara.
Implementación: La pantalla se actualiza en el hilo TaskSensoresLCD cada 2 segundos, mostrando la distancia medida y el estado del sistema (seguro, precaución, peligro).
Justificación teórica: La visualización in situ es fundamental para una respuesta inmediata en áreas sin conectividad remota. Su simplicidad y bajo costo la convierten en una solución estándar en sistemas IoT embebidos.
- Servidor Web Embebido en ESP32
Función: Alojar el "Tablero de control" local y permitir el acceso a datos y control remoto a través de la WLAN de la alcaldía.
Criterios de diseño: Se implementó un servidor web ligero con la biblioteca WiFiServer, diseñado para manejar solicitudes HTTP concurrentes y servir datos en formato JSON.
Implementación: Ejecutado en el hilo TaskWeb, el servidor escucha en el puerto 80 y ofrece endpoints como /datos (valores actuales), /history (historial), /buzzer/on y /buzzer/off (control del zumbador).
Justificación teórica: El uso de HTTP asegura compatibilidad con navegadores estándar, cumpliendo con el acceso local vía WLAN. Su implementación en un hilo dedicado optimiza la respuesta del sistema sin comprometer otras tareas.
- Tablero de Control (Interfaz Web)
Función: Visualizar datos en tiempo real, historial y permitir interacción remota con el sistema.
Criterios de diseño: Se desarrolló una interfaz web responsiva con HTML, CSS y JavaScript, compatible con PC y móviles, incluyendo gráficos interactivos y controles intuitivos.
Implementación: La interfaz se comunica con el servidor del ESP32 vía solicitudes AJAX para actualizar datos sin recargar la página. Se integra Chart.js para gráficos y botones para controlar el zumbador.
Justificación teórica: Una interfaz web cumple con los requerimientos de accesibilidad local y mejora la experiencia del usuario mediante actualizaciones en tiempo real, alineándose con estándares de diseño de interfaces IoT.
- Multitarea/Hilos en ESP32
Función: Gestionar concurrentemente las tareas de medición, procesamiento, control de alarmas y manejo del servidor web.
Criterios de diseño: Se empleó FreeRTOS para crear hilos con prioridades y tamaños de stack optimizados, asegurando un uso eficiente de los recursos del ESP32.
Implementación:
TaskUltrasonido: Mide la distancia cada 2 segundos.
TaskSensoresLCD: Procesa datos de lluvia, controla alarmas y actualiza la LCD cada 2 segundos.
TaskWeb: Gestiona el servidor web de forma continua, tambien envia datos mediante protocolo mqtt al broker.
Justificación teórica: La multitarea mejora la eficiencia y capacidad de respuesta del sistema. Las prioridades asignadas garantizan que las tareas críticas se ejecuten oportunamente, siguiendo principios de diseño de sistemas operativos en tiempo real.
- Raspberry Pi 5 como Gateway IoT
Función: Actuar como intermediario entre el ESP32 y la plataforma IoT, gestionando comunicación MQTT y almacenamiento local.
Criterios de diseño: Se seleccionó la Raspberry Pi 5 con Debian por su capacidad de procesamiento, conectividad y soporte para herramientas como Mosquitto y Python.
Implementación: Ejecuta un broker MQTT (Mosquitto) y scripts en Python que se suscriben a topics del ESP32, almacenan datos en un archivo csv y los reenvían a Ubidots vía MQTT.
Justificación teórica: Un gateway local reduce la latencia y mejora la confiabilidad en entornos con conectividad intermitente, siendo una solución estándar en arquitecturas IoT distribuidas.
- Comunicación MQTT
Función: Facilitar la transmisión de datos entre el ESP32, la Raspberry Pi y Ubidots.
Criterios de diseño: MQTT se seleccionó por su eficiencia, bajo consumo de ancho de banda y soporte para comunicación asíncrona en IoT.
Implementación: El ESP32 publica datos en topics específicos, la Raspberry Pi se suscribe y los reenvía a Ubidots, todo gestionado mediante Mosquitto.
Justificación teórica: El modelo publicación/suscripción de MQTT es ideal para monitoreo en tiempo real y permite escalar el sistema fácilmente, cumpliendo con estándares IoT modernos.
- Plataforma IoT Ubidots
Función: Proporcionar un dashboard global para monitoreo remoto y control de alarmas.
Criterios de diseño: Ubidots fue elegido por su soporte MQTT, facilidad de uso y herramientas de visualización avanzadas.
Implementación: El dashboard incluye widgets para nivel de agua, estado de lluvia, historial y un botón para desactivar la alarma, conectado vía MQTT desde la Raspberry Pi.
Justificación teórica: Una plataforma en la nube permite acceso global, cumpliendo con el monitoreo desde cualquier parte de Colombia. El control remoto de alarmas añade funcionalidad práctica.
- Hilo de Alta Prioridad para Envío de Datos MQTT en ESP32
Función: Garantizar la transmisión oportuna de datos al Gateway IoT.
Criterios de diseño: Se creó TaskMQTT con alta prioridad para priorizar la comunicación MQTT sin afectar otras tareas.
Implementación: Este hilo recopila datos de sensores y los publica en topics MQTT periódicamente, ejecutándose en paralelo a los demás hilos.
Justificación teórica: Un hilo dedicado con alta prioridad asegura la entrega en tiempo real de datos críticos, esencial para sistemas de alerta temprana, siguiendo principios de diseño de sistemas concurrentes.
En la sección de Esquemático de Hardware, se utiliza el esquemático del proyecto anterior como referencia, debido a que el software utilizado para su creación no dispone del microcontrolador ESP32 en su biblioteca de componentes. Sin embargo, la conexión de los sensores y actuadores es esencialmente la misma, con la diferencia de que el ESP32 se utiliza en lugar del Arduino Uno. La siguiente tabla resume las principales diferencias:
| Componente | Proyecto Original (Arduino Uno) | Proyecto Actual (ESP32) |
|---|---|---|
| Microcontrolador | Arduino Uno | ESP32 DevKitC |
| Conexión WiFi | No incluido | Integrado |
| P pines | Diferentes pines (descritos en la seccion Interfaces conexion sensores y actuadores) | Diferentes pines (descritos en la seccion Interfaces conexion sensores y actuadores) |
Es importante tener en cuenta que, a pesar de estas diferencias, la lógica de conexión de los sensores (ultrasónico y de lluvia), la pantalla LCD, el LED RGB y el zumbador se mantiene sin cambios significativos. El ESP32, al igual que el Arduino Uno, permite la lectura de los sensores, el control de los actuadores y la visualización de la información en la pantalla LCD. La principal ventaja del ESP32 es su capacidad integrada para conectarse a redes WiFi, lo que permite la transmisión de datos a la interfaz web.
El diseño de este prototipo de sistema de alerta temprana se basó en los siguientes estándares y principios de diseño de ingeniería:
- Diseño Centrado en el Humano (ISO 9241-210): Se aplicaron los principios de esta norma para asegurar que el sistema fuera fácil de usar y comprender para los usuarios finales. Esto se manifestó en:
-
Visualización clara y concisa de la información tanto en la pantalla LCD como en el tablero de control web, mostrando el nivel del agua y el estado del sistema de manera que se pueda entender rápidamente.
-
Alertas visuales y auditivas diseñadas para ser perceptibles en diferentes entornos. El LED RGB proporciona una alerta visual que es fácilmente visible tanto de día como de noche, mientras que el zumbador emite una alerta audible que es claramente audible incluso durante el día.
-
Diseño intuitivo del tablero de control, que permite a los usuarios acceder a la información relevante y controlar el sistema de forma sencilla.
-
Diseño Modular: El sistema se estructuró en módulos independientes para mejorar la mantenibilidad, la escalabilidad y la reutilización del código. Cada módulo (sensor de lluvia, sensor ultrasónico, alarma, pantalla LCD, servidor web) tiene una función específica y bien definida, lo que facilita la identificación y corrección de errores, así como la adición de nuevas funcionalidades en el futuro.
-
Confiabilidad y Robustez: Se seleccionaron componentes y técnicas de medición confiables para garantizar que el sistema funcione de manera precisa y consistente en diferentes condiciones. Por ejemplo, el sensor ultrasónico HC-SR04 es conocido por su precisión en la medición de distancias, y el uso de un microcontrolador ESP32 proporciona una plataforma robusta para el procesamiento de datos y la comunicación.
Se establecieron los siguientes criterios de diseño para guiar el desarrollo y la evaluación del prototipo:
- Precisión en la detección del nivel de agua: El sistema debe medir con precisión la distancia entre el sensor y el nivel del agua.
- Fiabilidad en la generación de alertas: El sistema debe generar alertas de forma fiable (visual y audible) cuando el nivel del agua alcanza umbrales predefinidos.
- Claridad en la visualización de la información: La pantalla LCD debe mostrar la información de forma clara y concisa, comprensible para los usuarios. El tablero de control web debe presentar la información de manera organizada e intuitiva, permitiendo a los usuarios monitorear el nivel del agua y el estado del sistema de forma remota.
- Rentabilidad: El sistema debe diseñarse utilizando componentes fácilmente disponibles y asequibles.
- Facilidad de montaje: El sistema debe ser relativamente fácil de montar y mantener.
- Latencia aceptable para visualización y control remoto.
- Robustez ante fallos temporales de conectividad a Internet
Las pruebas se llevaron a cabo en el laboratorio de electrónica de la Universidad de la Sabana, un ambiente interior controlado y libre de condiciones climáticas externas que pudieran afectar los resultados.
Para la realización de las pruebas, se utilizaron los siguientes equipos y materiales:
- Sensor ultrasónico HC-SR04
- Sensor de lluvia SunFounder
- ESP32
- Jumpers
- Protoboard
- LED RGB
- Zumbador Activo
- Resistencias de 1k y 220 ohmnios
- Termo y envase (Utilizados para simular la lluvia)
- Recipiente plástico (Utilizado para simular un río)
- Computadora para acceder al tablero de control
- Raspberry Pi
- SD Card
Cabe recalcar que para estas pruebas, el estado seguro de río está para 7 o más centímetros de distancia del sensor, el estado de precaución está entre 6 y 5 centímetros de distancia y por el último el estado de peligro es para menos de 5 centímetros. Y Para el sensor hay 4 estados, sin llovisna, llovisna, lluvioso y tormenta.
- Montaje del prototipo: Se conectaron todos los componentes (sensores, Arduino, LED RGB, zumbador) en la protoboard siguiendo el esquemático de hardware.
- Carga del programa: Se cargo el programa Arduino a través del puerto USB y con la laptop.
- Configuración de la Raspberry Pi: Instalar OS, Python, librerías necesarias (paho-mqtt, sqlite3, php). Desplegar y ejecutar el script del Gateway.
- Conexión a la Red: Conectar ESP32 y Raspberry Pi a la misma WLAN. Asegurar que la RPi tenga acceso a Internet.
- Configuración Ubidots: Crear dispositivo, variables, dashboard y eventos/alertas en la plataforma Ubidots.
- Preparación del entorno: Se llenó el recipiente plástico con agua hasta un nivel inicial considerado seguro. Se midió la distancia entre el sensor ultrasónico y el nivel del agua, resgitrando el valor como punto de referencia.
- Simulación de lluvia: Utilizando el termo y el envase, se vertió agua de forma gradual en el recipiente para simular de esta manera la lluvia y aumentar el nivel del agua, para así observar los cambios de estado del sistema.
- Observación:
-
Se observó el comportamiento del LED RGB y el zumbador a medida que el nivel del agua se elevaba.
-
Se verificó la información mostrada en la pantalla LCD.
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Se accedió al tablero de control web a través de un navegador para monitorear los datos del sensor y el estado del sistema de forma remota.
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Verificar recepción de mensajes MQTT y almacenamiento en SQLite
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Acceder al dashboard de Ubidots vía navegador
-
Registro de datos: Se registró la distancia medida por el sensor ultrasónico en el que se producían las transiciones entre los estados (seguro, precaución y peligro). Además, se verificó lo siguiente en el tablero de control:
-
Si el tablero mostraba los datos históricos correctamente. (Local y Global)
-
Si el tablero mostraba los datos en vivo de forma precisa. (Local y Global)
-
Si era posible apagar el zumbador desde el tablero de control, y se verificó la respuesta del zumbador físico. (Local y Global)
-
| Nivel del Agua (distancia entre sensor y el agua) cm | Color del LED RGB | Zumbador | Estado en pantalla LCD | Estado de lluvia | Datos Históricos | Datos en Vivo | On/Off zumbador | Envio y Recepción Mqtt | Dashboard En vivo |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 10 | Verde | No está sonando | SEGURO | SIN LLOVIZNA | SI | SI | SI | SI | SI |
| 9 | Verde | No está sonando | SEGURO | SIN LLOVIZNA | SI | SI | SI | SI | SI |
| 8 | Verde | Sonido Intermitente | SEGURO | SIN LLOVIZNA | SI | SI | SI | SI | SI |
| 7 | Verde | Sonido Intermitente | SEGURO | LLOVIZNA | SI | SI | SI | SI | SI |
| 6 | Azul | Sonido Intermitente | PRECAUCION | LLUVIOSO | SI | SI | SI | SI | SI |
| 5 | Azul | Sonido Intermitente | PRECAUCION | LLUVIOSO | SI | SI | SI | SI | SI |
| 4 | Rojo | Sonido Constante | PELIGRO | LLUVIOSO | SI | SI | SI | SI | SI |
| 3 | Rojo | Sonido Constante | PELIGRO | TORMENTA | SI | SI | SI | SI | SI |
| 2 | Rojo | Sonido Constante | PELIGRO | TORMENTA | SI | SI | SI | SI | SI |
Los resultados obtenidos demuestran que el prototipo es capaz de dectectar cambios en el nivel del agua debido a las precipitaciones, y alertar al usuario mediante señales visuales (LED RGB) y sonoras (zumbador).
Específicamente, se comprobó que:
- El sistema identifica de manera correcta un estado de agua seguro (LED verde, zumbador inactivo) (+8cm).
- Ante un aumento simulado del nivel del agua, el sistema transiciona a un estado de precaución (LED azul, zumbador intermitente) (entre 8cm y 4cm).
- Al alcanzar un estado de peligro, el sistema emite una alerta clara (LED rojo, zumbador continuo) (-4cm).
- El sistema detecta el estado de las precipitaciones (SIN LLOVIZNA, LLOVIZNA, LLUVIOSO, TORMENTA).
- El dashboard local y global mostrara en vivo los datos y ademas poder tener control de las alarmas físicas específicamente el zumbador.
Es importante recalcar que después de diversas pruebas es recomendable realizar las otras pruebas en condiciones de lluvia reales para validar el comportamiento del sistema. Sin embargo, en estas condiciones simuladas el sistema mostró ser capaz de detectar posibles crecidas de ríos (nivel del agua en el recipiente).
- ¿El protocolo permitió validar correctamente el funcionamiento del prototipo? Sí, el protocolo de pruebas implementado permitió validar de manera efectiva el funcionamiento básico del prototipo, incluyendo la operación del tablero de control web (local y Global). Se realizaron pruebas en distintos escenarios de nivel de agua y lluvia, permitiendo observar cómo el sistema respondía a través del LED RGB, el zumbador, la pantalla LCD y el tablero de control. Los resultados confirmaron que el prototipo detecta cambios en el nivel del agua y alerta de acuerdo a los umbrales establecidos, mostrando la información tanto localmente en la LCD como remotamente en el tablero de control.
- ¿Se identificaron todos los posibles escenarios de uso? Aunque el protocolo permitió evaluar el funcionamiento general, no se consideraron todas las situaciones que podrían ocurrir en un entorno real. Por ejemplo, las pruebas se realizaron en un ambiente controlado y no se simularon condiciones climáticas extremas como lluvia intensa o fuertes vientos, que podrían afectar el rendimiento del sensor de lluvia o la precisión del sensor ultrasónico. Tampoco se evaluaron escenarios donde el nivel del agua desciende abruptamente o fluctúa de manera irregular, o fallos en la conexión WiFi. Pérdida prolongada de conexión a internet de la RPi. Fallos del broker MQTT. Limites de la API o plan de Ubidots.
Para tener una evaluación más completa del prototipo, sería recomendable incluir las siguientes pruebas:
- Pruebas en condiciones climáticas reales: Evaluar el desempeño del sistema en exteriores bajo lluvia real para verificar la fiabilidad del sensor de lluvia y la resistencia del prototipo a factores ambientales.
- Pruebas con distintas intesidades de lluvia: Utilizar un pluviómetro para medir la cantidad de la lluvia y analizar su impacto en la detección del nivel del agua.
- Pruebas con variaciones rápidas del nivel del agua: Simular situaciones en las que el agua sube o baja rapidamente para verificar que tan bien responde el sistema a variaciones repentinas.
- Pruebas de duración: Dejar el prototipo funcionando de manera continua por varios días para detectar posbiles fallos a largo plazo y evaluar su confiabilidad.
- Pruebas de conectividad: Evaluar el funcionamiento del sistema con diferentes calidades de conexión WiFi y en situaciones de pérdida temporal de la conexión.
- Pruebas de carga del servidor web: Simular el acceso simultáneo de varios usuarios al tablero de control para evaluar el rendimiento del servidor web del ESP32.
- Pruebas de Robustez: Simular desconexiones de red en diferentes puntos (ESP32-WLAN, RPi-Internet) y verificar recuperación. Inducir reinicios del ESP32 y RPi.
- Pruebas de Seguridad: Intentar conectar al broker MQTT sin autenticación. Verificar si se usa TLS/SSL. Evaluar seguridad de acceso a RPi.
- Pruebas de Latencia: Medir tiempos de respuesta end-to-end bajo diferentes condiciones de red.
El desarrollo del prototipo del Challenge 3 demostró con éxito la viabilidad de implementar un sistema IoT completo y distribuido para la detección temprana de crecidas, integrando un nodo sensor (ESP32), un Gateway IoT (Raspberry Pi) y una plataforma en la nube (Ubidots). Se logró el monitoreo en tiempo real, la generación de alertas locales y remotas, el almacenamiento persistente de datos y el acceso a un tablero de control global vía Internet. La arquitectura modular utilizando MQTT para la comunicación y SQLite para el buffering local en el Gateway proporciona una solución robusta, escalable y accesible. La correcta integración de todos los componentes, incluyendo el servidor web local del ESP32 y el tablero en Ubidots, valida el enfoque propuesto para mejorar significativamente la capacidad de respuesta ante inundaciones.
Entre los principales logros del proyecto se destacan:
- La correcta integración de los sensores con el ESP32, logrando un monitoreo eficiente y la transmisión de datos a través de WiFi.
- La implementación de una señal de alerta clara y perceptible mediante un LED RGB y un zumbador, con control local y remoto a través de la interfaz web.
- La visualización de datos en tiempo real tanto en una pantalla LCD 16x2 local como en un tablero de control web accesible a través de la red, proporcionando información completa sobre el estado del sistema.
- Un diseño modular que permite futuras mejoras y adaptaciones para su implementación en escenario reales.
- El desarrollo de un servidor web embebido en el ESP32 para la transmisión de datos y el control del sistema a través de una red WiFi.
- El diseño y la implementación de un tablero de control web intuitivo para la visualización remota de datos y el control del zumbador.
- El correcto desarrollo de un borker MQTT para Pub/Sub de datos.
- El correcto desarrollo de un dashboard e nube (Ubidots).
Este proyecto es un primer paso en la dirección correcta hacia el desarrollo de sistemas de alerta temprana accesibles y económicos. La implementación de este tipo de tecnologías prodría reducir significativamente los impactos de las inundaciones, protegiendo tanto a la población como a la infraestructura.
A lo largo del desarrollo del prototipo, se enfrentaron diversos desafíos:
- Precisión del sensor ultrasónico
- Limitaciones en el tiempo de desarrollo
- Condiciones controladas
- Espacio reducido
- Interfaz limitada
- Conectividad WiFi
- Rendimiento del servidor web
- Configuración Gateway
- Comunicación MQTT
- Integracion de Ubidots
- Concurrencia
Este prototipo podría estar sentando varias bases para un sistema más avanzado que pude ser implementado en ríos reales. Alguna mejoras futuras podrían ser:
- Integración con redes IoT: nootificación de alertas a través de aplicaciones móviles o SMS.
- Autonomía energética y sostenibilidad: Implementar un sistema completo de paneles solaras para garantizar el funcionamiento continuo del sistema en ubicaciones remotas.
- Resistencia a condiciones ambientales: Diseñar una carcasa empermeable y resistente para que de esta manera se puedan proteger los componentes electrónicos de condiciones adversas.
- Alcance: Hacer posible el despliegue de varias unidades en diferentes ubicaciones para obtener una red de monitoreo más sofisticada.
- Integración de datos de otras fuentes: Combinar los datos del sistema con información de otras fuentes, como pronósticos meteorológicos y mapas de riesgo de inundación, para mejorar la precisión de las predicciones y proporcionar alertas más tempranas y confiables.
- Interfaz de usuario mejorada: Desarrollar una interfaz de usuario más completa y fácil de usar, con visualizaciones de datos interactivas, mapas y opciones de configuración avanzadas.
- Sistema de alerta a la comunidad: Implementar un sistema de alerta a la comunidad que envíe notificaciones automáticas a los residentes en riesgo a través de múltiples canales (SMS, aplicaciones móviles, altavoces públicos).
- Plataforma y Análisis: Explotar capacidades de análisis de Ubidots o exportar datos a otras plataformas (e.g., Grafana, ThingsBoard) para análisis predictivo, machine learning. Integración con sistemas de información geográfica (GIS).
- Seguridad: Implementar TLS/SSL obligatorio para MQTT. Endurecimiento de la seguridad de la Raspberry Pi. Gestión segura de claves y tokens.
- Juan Esteban Ocampo
- Juan Pablo Corral
- Conexión física de componentes electrónicos (sensores, actuadores, ESP32)
- Programación del ESP32 para la adquisición de datos de los sensores y control de actuadores
- Configuración de la comunicación entre el ESP32 y la interfaz web
- Configuración de la comunicación MQTT
- Documentación del proyecto (informes, diagramas, etc.)
- Configuración de la Raspberry Pi
- Diseño y programación de la interfaz web (tablero de control) para visualización de datos y control del sistema
- Fecha: Miércoles, 23 de abril de 2025
- Hora: 9:00 - 12:00
- Lugar: Laboratoria del B
Objetivos:Definir el alcance del proyecto y los objetivos específicos. Distribuir las tareas y responsabilidades entre los integrantes. Empezar cada integrante con su rol. Empezar el desarrollo fisico del prototipo.
Temas tratados: Revisión de la descripción del proyecto y los requisitos del sistema. Discusión sobre las tecnologías a utilizar (ESP32, sensores, etc.). Acuerdo sobre la estructura modular del sistema. Asignación de tareas: Juan Esteban se encargará del hardware y la programación del ESP32, Juan Pablo de la documentación y la interfaz web.
- Fecha: Viernes, 25 de abriol de 2025
- Hora: 8:00 - 1:00
- Lugar: Universidad de la Sabana
Objetivos: Terminar el desarrollo del prototipo
- Fecha: Sabado, 26 de abril de 2025
- Hora: 15:00 - 20:00
- Lugar: Videoconferencia (Teams)
Objetivos: Iniciar el informe
- Fecha: Domingo, 27 de abril de 2025
- Hora: 10:00 - 13:00
- Lugar: Videoconferencia (Teams)
Objetivos: Terminar el informe
[1] J. E. Neira, «La empresa de acueducto reveló las razones por las que se están inundando las calles de Bogotá», Infobae, 15 de noviembre de 2024. Disponible en: https://www.infobae.com/colombia/2024/11/15/la-empresa-de-acueducto-revelo-las-razones-por-las-que-se-estan-inundando-las-calles-de-bogota/
[2]www.alldatasheet.es, «ESP32 datasheet(1/60 Pages) ESPRESSIF», 32-bit MCU & 2.4 GHz Wi-Fi & BT/BLE SoCs. https://www.alldatasheet.es/html-pdf/1148023/ESPRESSIF/ESP32/564/1/ESP32.html
[3] HC-SR04 Ultrasonic Sensor Datasheet. Handson Technology. https://www.handsontec.com/dataspecs/HC-SR04-Ultrasonic.pdf
[4] «Informe Niveles Río Cauca del 6 de abril de 2023 Hora 5:00 p.m | Ecopedia la enciclopedia ambiental del Valle del Cauca». Disponible en: https://portal-hidroclimatologico.cvc.gov.co/content/informe-niveles-rio-cauca-del-6-de-abril-de-2023-hora-500-pm
[5] «Precipitación: ¿Cuándo es poco y cuándo es mucho? | Eltiempo.es», Eltiempo.es, 6 de marzo de 2024. Disponible en: https://www.eltiempo.es/noticias/precipitacion-cuando-es-poco-y-cuando-es-mucho
[6] J. Mrázek, «Testing the WiFi range of ESP32 - mind.dump()», mind.dump(), 13 de agosto de 2017. https://blog.honzamrazek.cz/2017/08/testing-the-wifi-range-of-esp32/
[7] «Lesson 14 Rain Detection Module — SunFounder SunFounder_SensorKit_for_RPi2 documentation». Disponible en: https://docs.sunfounder.com/projects/sensorkit-v2-pi/en/latest/lesson_14.html
[8] Unidad Nacional para la Gestión del Riesgo de Desastres (UNGRD). (2020). Sistemas de Alerta Temprana como elementos para la gestión del riesgo de desastres. Portal Gestión del Riesgo. https://portal.gestiondelriesgo.gov.co/Paginas/Noticias/2020/Sistemas-de-Alerta-Temprana-como-elementos-para-la-gestion-del-riesgo-de-desastres.aspx