Diseño y optimización de un sistema de monitorización hídrica mediante el uso de sensores e IoT para la gestión sostenible de pequeños suministros de agua de consumo

El agua, un recurso fundamental para la continuidad de la vida, se está viendo afectada por la industrialización, la contaminación, el cambio climático y más factores causados por la actividad humana. La Organización mundial de la Salud (OMS) informa de que 2.200 millones de personas carecen de servicios fiables de agua potable, a pesar de que el acceso a esta es un derecho humano. El avance tecnológico es una de las medidas que puede mejorar esta situación. En concreto, la monitorización de la calidad del agua mediante sensores puede garantizar el suministro de agua potable. Sin embargo, estos sistemas son muy costosos y sólo las grandes industrias disponen de los recursos económicos necesarios para su implementación, quedando inaccesibles para comunidades o individuos con recursos limitados. ^ Este proyecto tiene como principal objetivo el diseño de un sistema asequible de monitorización de pequeños suministros de agua de consumo, como un depósito comunitario o particular, utilizando sensores de bajo coste y tecnologías del Internet de las Cosas (IoT, por sus siglas en inglés, Internet of Things), apoyados en servicios de Internet. Además, se pretende suplir la demanda de energía del sistema mediante módulos solares y baterías de almacenamiento para promover la sostenibilidad y la autonomía del sistema. Se investiga cuáles son los parámetros más controlados en este tipo de proyectos y se decide medir la turbidez, temperatura y potencial del hidrógeno (pH, por sus siglas en inglés, Potential of Hydrogen) del agua por aportar un equilibrio entre simplicidad, coste y efectividad. Además de controlar la calidad, también se medirá el nivel del depósito para evitar desperdicios de agua, así como la temperatura y humedad ambiente. Una vez definidos los parámetros de calidad de agua de consumo a medir, se realiza una búsqueda de las normativas existentes a nivel mundial y nacional para establecer los límites de potabilidad aceptables para dichos parámetros. Los sistemas de monitorización miden las propiedades del agua en tiempo real en el lugar en el que se ubica el recurso hídrico mediante sensores conectados a un microcontrolador. En concreto, en los sistemas basados en IoT y servicios de Internet, los datos recopilados por el microcontrolador se envían a servidores centrales a través de protocolos de comunicación inalámbrica. Se lleva a cabo una evaluación de los protocolos comúnmente utilizados en proyectos IoT para encontrar la opción más adecuada para aplicaciones residenciales y comunitarias a las que está orientado el proyecto. Una vez sentadas las bases del proyecto, se realiza el diseño del sistema, para el que se escogen herramientas ampliamente utilizadas en proyectos basados en IoT. El sistema lo conforman diferentes tecnologías que pueden clasificarse, a grandes rasgos, en software y hardware. Respecto al software, se utilizan programas y servidores para programar y configurar el microcontrolador, para almacenar y analizar los datos recopilados por los sensores y para visualizar dichos datos, incluyendo la visualización en tiempo real por parte de los usuarios finales a través de una aplicación móvil. Por otro lado, los componentes principales del hardware son el microcontrolador y los sensores. Estos componentes se eligen buscando un equilibrio calidad-precio, y una vez adquiridos se realizan ensayos para calibrarlos y comprobar su funcionamiento. Para el montaje del sistema final se realizan las conexiones del microcontrolador y los sensores, se configuran los servidores de almacenamiento y visualización de datos y se desarrolla el código que incluye la configuración de los sensores, de la conexión Wifi y del envío de los datos recogidos a dichos servidores. Para el montaje del prototipo se utiliza una garrafa que simula un depósito de agua, además de unos elementos adicionales implementados para la colocación de la electrónica dentro del depósito de forma segura y eficaz. Para los ensayos el microcontrolador se alimenta a través del ordenador mediante USB puesto que la alimentación mediante energía solar se estudia solo a nivel teórico, quedando fuera del alcance del proyecto su implementación real. Se miden los datos obtenidos por los sensores durante dos horas y se comparan con los proporcionados por el Canal de Isabel II para el agua utilizada en el ensayo. Para suplir la demanda de energía que conllevan estos sistemas de monitorización constante, mediante el aprovechamiento de la energía solar con el uso de módulos solares y apoyo de baterías de almacenamiento, se propone un sistema autónomo que cubra el total de la demanda de energía sin necesidad de conexión a red eléctrica, y por tanto, implementable incluso en áreas remotas. Para su correcto dimensionamiento se realiza un estudio de consumo del sistema, diferenciando estados de funcionamiento que pueden implicar picos de consumo. Teniendo en cuenta el consumo de cada estado y el tiempo dedicado en cada uno, se establece la capacidad de baterías necesaria para conseguir una cierta autonomía. El módulo solar es el otro componente principal del sistema de alimentación propuesto y debe ser capaz de proporcionar la corriente mínima de alimentación que indica la ficha técnica del microcontrolador. Según estas premisas, se comparan modelos disponibles en el mercado de cada componente y se proponen unos adecuados para el caso de estudio. Durante el desarrollo del proyecto se consiguen los objetivos marcados, además de conseguir un impacto significativo en los aspectos social, económico y medioambiental, de esta manera, el proyecto mejora la supervisión de la calidad del agua en pequeños suministros a la vez que apoya algunos de los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) de la Agenda 2030.