Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Control Automático Método para el diseño de registradores de datos de bajo costo para aplicaciones de calidad del aire Tesis presentada en opción al grado científico de Doctor en Ciencias Técnicas Erik Hernández Rodríguez Santa Clara 2025 "Año 67 de la Revolución " Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Control Automático Método para el diseño de registradores de datos de bajo costo para aplicaciones de calidad del aire Tesis presentada en opción al grado científico de Doctor en Ciencias Técnicas Autor: M Sc. Erik Hernández Rodríguez email: ehrodriguez@uclv.cu Tutores: Dr.C Alain Martínez Laguardia PT. Departamento de Control Automático, Facultad de Ingeniería Eléctrica, amguardia@uclv.edu.cu Dr.C Olivier Schalm Academia Marítima de Amberes, olivier.schalm@hzs.be Santa Clara 2025 " Año 67 de la Revolución " mailto:amguardia@uclv.edu.cu mailto:olivier.schalm@hzs.be i Resumen: Los registradores de datos basados en hardware de bajo costo son herramientas fundamentales para monitorear y analizar información en tiempo real, permitiendo el estudio de diversos procesos. Aunque muchos proyectos utilizan hardware de bajo costo para desarrollar registradores de datos adaptados a sus necesidades, la mayoría se limita a presentar resultados tecnológicos alcanzados sin seguir un método estructurado para su diseño y evaluación. Esta investigación propone y analiza los elementos esenciales de un método para el diseño de registradores de datos basados en hardware y sensores de bajo costo, integrados con software de configuración y procesamiento, que faciliten su implementación en campañas de medición de calidad del aire en múltiples escenarios, incluso por personal no experto en tecnología. La aplicabilidad del método se demostró mediante la implementación y despliegue de dos registradores de datos (uno basado en Arduino y otro en ESP32) en campañas de monitoreo, enfocadas en la medición de la calidad del aire en exteriores y el mapeo móvil de la misma en una ciudad. Además, se establecieron criterios de evaluación orientados al desarrollo de dispositivos de valor científico, de bajo costo y fabricación personalizada. Las experiencias obtenidas durante el desarrollo de los sistemas y las campañas de monitoreo sirvieron como objetivos para el proceso de evaluación, el cual se basó en indicadores específicos que permitieron lograr desarrollos exitosos y adaptables a diversas aplicaciones y requerimientos. El método propuesto se caracteriza por un ciclo continuo de evaluación, corrección y actualización, asegurando su mejora constante. Esta investigación no solo valida la eficacia del enfoque, sino que también establece un marco metodológico replicable para el desarrollo de tecnologías de bajo costo en otros campos, promoviendo la accesibilidad y la innovación en el monitoreo ambiental. Palabras claves: registrador de datos de bajo costo, hardware y software abierto, método, campañas de monitoreo ii Contenido Relación de publicaciones .................................................................................................... v Listado de Acrónimos ......................................................................................................... vii Listado de Figuras ............................................................................................................... ix Listado de Tablas ................................................................................................................. xi Introducción .......................................................................................................................... 1 Objetivo de la Tesis ............................................................................................................ 4 Novedad científica y aportes de la investigación:............................................................... 5 Organización del informe ................................................................................................... 6 1. Capítulo I. Avances y tendencias en el empleo de registradores de datos de bajo costo ....................................................................................................................................... 7 Evolución y personalización de los DAS ................................................................ 8 Variantes de Sistemas de Adquisición de Datos: Tipos y Características .............. 9 La Ingeniería de Software asociada al desarrollo de registradores de datos ........ 12 Resumen acerca de los diferentes Procesos de Software ................................. 13 Uso de registradores de datos de bajo para monitoreo medioambiental .............. 15 Caso de estudio 1. Sistema económico de monitoreo de calidad del aire: eficacia vs. métodos tradicionales ................................................................................. 15 Caso de estudio 2. Soluciones modulares basadas en Arduino orientados a la investigación de campo ................................................................................................. 19 Caso de estudio 3. Desarrollo de un sistema para el monitoreo de la calidad del aire basado en tecnología de bajo costo ........................................................................ 23 Caso de estudio 4. Uso de sistemas embebidos en sistemas de monitoreo de calidad del aire .............................................................................................................. 27 Caso de estudio 5. Tecnología de código abierto y su impacto en la monitorización ambiental .............................................................................................. 30 Resumen acerca de las métricas evaluadas en la literatura consultada ................ 34 Confección de los ICR para la evaluación de registradores de datos en aplicaciones de calidad del aire......................................................................................... 35 Influencia de métodos ingenieriles de bajo costo en proyectos............................ 42 Estrategias para reducir costos en la confección de un producto o sistema ..... 43 Conclusiones parciales del capítulo ...................................................................... 44 2. Capítulo II. Arquitectura de hardware y software para registradores de datos en aplicaciones de calidad del aire ......................................................................................... 45 iii Requisitos de diseño para registradores de datos en aplicaciones de monitoreo de calidad del aire .................................................................................................................. 46 Selección de plataforma de hardware en sistema de monitoreo de calidad del aire 48 Principales insuficiencias y limitaciones de las tarjetas de expansión existentes 50 Diseño de PCB personalizada para sistemas de monitoreo de calidad del aire .... 50 Normas y requerimientos aplicados en el diagrama esquemático .................... 54 Normas y recomendaciones en la disposición .................................................. 55 Selección de sensores para sistema de monitoreo de calidad del aire .................. 56 Selección de la carcasa protectora ........................................................................ 59 Visión general de la arquitectura de hardware basada en sus componentes ........ 59 Ingeniería de software para sistema de monitoreo de la calidad del aire ............. 61 Diseño y desarrollo de software para sistema de monitoreo de calidad del aire .. 64 Diseño de la arquitectura de software para Sistema de Monitoreo ...................... 67 Pruebas de software .............................................................................................. 69 Pruebas de desarrollo .................................................................................... 70 Prueba de versión ......................................................................................... 72 Pruebas de usuario ........................................................................................ 73 Software HMI para la configuración del sistema de monitoreo ........................... 74 Conclusiones parciales del capítulo ...................................................................... 75 3. Capítulo III. Desarrollo de un método de diseño de registradores de bajo costo para aplicaciones de medición de calidad del aire ........................................................... 76 Método para la implementación de un registrador de datos de bajo costo ........... 77 Evaluación a nivel del dispositivo .................................................................... 80 Objetivos a nivel de sensores ........................................................................... 81 Objetivos a nivel de datos ................................................................................. 83 Evaluación del método de diseño mediante esquema de puntuación ................... 84 3.3 Conclusiones parciales del capítulo ...................................................................... 87 4. Capítulo IV. Aplicación del método desarrollado al diseño de varios registradores, desplegados en diferentes escenarios de aplicación. Evaluación ........... 88 Desarrollo de un registrador de datos basado en la plataforma Arduino .............. 88 Muestreo de la calidad del aire en la ciudad de Amberes, Bélgica .................. 91 Desarrollo de un registrador de datos basado en la plataforma ESP32 ................ 99 Mapeo móvil de la calidad del aire en la ciudad de Santa Clara, Cuba.......... 101 iv Implementación de una HMI para la configuración de sensores........................ 107 Evaluación del desempeño de los registradores diseñados a partir de los ICR .. 110 Análisis económico asociado a los diseños presentados, basados en el método elaborado ......................................................................................................................... 115 Conclusiones parciales del capítulo .................................................................... 119 Conclusiones generales y recomendaciones ................................................................... 120 Conclusiones ................................................................................................................... 120 Recomendaciones ........................................................................................................... 121 Referencias Bibliográficas ............................................................................................... 122 Anexos ................................................................................................................................ 131 Anexo A. Distribución de componentes para placas de expansión ................................ 131 Anexo B. Sensores .......................................................................................................... 133 v Relación de publicaciones Relación de publicaciones (Resolución 1/2020). Artículo como autor principal en revistas de evaluación máxima: - Hernández-Rodríguez, Erik, et al. Reliability Testing of a Low-Cost, Multi-Purpose Arduino- Based Data Logger Deployed in Several Applications Such as Outdoor Air Quality, Human Activity, Motion, and Exhaust Gas Monitoring. Sensors, 2023, vol. 23, no 17, p. 7412. (Publicado) - Hernandez-Rodriguez, E.; Kairuz-Cabrera, D.; Martinez, A.; Amalia, R.; Schalm, O. Low- Cost Portable System for the Estimation of Air Quality. In Proceedings of 19th Latin American Control Congress (LACC 2022); studies in Systems, Decision and Control; Springer: La Habana, Cuba, 2022; vol. 464, pp. 287–297. ISBN 978-3-031-26361-3. (Publicado) Artículo como autor principal en revistas de evaluación media: - Hernández Rodríguez, E., Martínez, A., Schalm, O., González Rivero, R. A., & Hernández Santana, L. Diseño de un sistema de medición y monitoreo de variables asociadas a calidad del aire. Ingeniería Electrónica, Automática y Comunicaciones, 2023, vol. 44, 2, 35-44. (Publicado) - Hernández Rodríguez, E.; Schalm, O.; Martínez, A. Development of a Low-Cost Measuring System for the Monitoring of Environmental Parameters That Affect Air Quality for Human Health. ITEGAM-JETIA 2020, vol. 6, 22–27. (Publicado) Artículo como coautor en revistas evaluación máxima: - Alejo Sánchez, D., Schalm, O., Álvarez Cruz, A., Hernández Rodríguez, E., Martínez Laguardia, A., Kairuz Cabrera, D., & Morales Pérez, M. C. Enhancing the Reliability of NO2 Monitoring Using Low-Cost Sensors by Compensating for Temperature and Humidity Effects. Atmosphere, 2024, vol. 15, 11, e1365. (Publicado) - Schalm, O., González-Rivero, R. A., Hernández-Rodríguez, E., Morales-Pérez, M. C., Alejo- Sánchez, D., Martinez, A., ... & Hernández, L. Relevance and reliability of NO2 and NO monitoring in low-income countries using low-cost sensors. ITEGAM-JETIA, 2024, vol. 10, 47, 27-33. (Publicado) - Martinez, A.; Hernandez-Rodríguez, E.; Hernandez, L.; González-Rivero, R.A.; Alejo- Sánchez, D.; Schalm, O. Design of a Low-Cost Portable System for the Measurement of Variables Associated with Air Quality. IEEE Embed. Syst. 2023, vol. 15, 105–108. (Publicado) - González Rivero, R.A.; Morera Hernández, L.E.; Schalm, O.; Hernández Rodríguez, E.; Alejo Sánchez, D.; Morales Pérez, M.C.; Nuñez Caraballo, V.; Jacobs,W.; Martinez Laguardia, A. A Low-Cost Calibration Method for Temperature, Relative Humidity, and Carbon Dioxide Sensors Used in Air Quality Monitoring Systems. Atmosphere 2023, vol. 14, 191. (Publicado) vi - González Rivero, R.A.; Schalm, O.; Alvarez Cruz, A.; Hernández Rodríguez, E.; Morales Pérez, M.C.; Alejo Sánchez, D.; Martinez Laguardia, A.; Jacobs,W.; Hernandez Santana, L. Relevance and Reliability of Outdoor SO2 Monitoring in Low-Income Countries Using Low- Cost Sensors. Atmosphere 2023, vol. 14, 912. (Publicado) Relación de ponencias. Presentación de trabajos como autor principal en eventos científicos de reconocido prestigio: - Diseño de un sistema de medición y monitoreo de variables asociadas a calidad del aire. XX Simposio Internacional Ingeniería Eléctrica. 2023 Presentación de trabajos como coautor en eventos científicos de reconocido prestigio: - Relevance and reliability of NO and NO2 monitoring in low-income countries using low-cost sensors. XX Simposio Internacional Ingeniería Eléctrica. 2023 - Design of a low-cost portable system for the measurement of variables associated with air quality". Congreso Argentino de Sistemas Embebidos. 2021 - Premio CITMA Provincial, como autor principal del trabajo: Diseño de un sistema de medición y monitoreo de variables asociadas a la calidad del aire. 2023 vii Listado de Acrónimos Acrónimo Significado siglas inglés Significado siglas español IoT Internet of Things Internet de las cosas DAS Data Acquisition Systems Sistemas de Adquisición de Datos IBM International Business Machine ADC Analog to Digital Converter Conversores Analógico-Digitales RTU Remote Terminal Units Unidades Terminales Remotas TTL Transistor-Transistor Logic Lógica Transistor-Transistor SCADA Supervisory Control and Data Adquisition Control Supervisorio y Adquisición de Datos VSN Vehicular Sensor Network Red de Sensor Vehicular VOC Volatile Organic Compounds Compuestos Orgánicos Volátiles GPS Global Positioning System Sistema de Posicionamiento Global UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter Receptor/Transmisor Asincrónico Universal GSM Global System for Mobile Communication Sistema Global para las Comunicaciones Móviles IP Internet Protocol Protocolo de Internet I2C Inter-Integrated Circuit Circuito Inter-Integrado SPI Serial Peripheral Interface Interfaz de Periféricos Serie Wi-Fi Wireless Fidelity Fidelidad Inalámbrica RAM Random Access Memory Memoria de Acceso Aleatoria USB Universal Serial Bus Bus Universal Serie IDE Integrated Development Environment Ambiente de Desarrollo Integrado OSHWA Open Source Hardware Association Asociación de Hardware y Software Abierto viii ASTM American Society for Testing and Materials Sociedad Americana para Pruebas y Materiales IEC International Electrotechnical Commission Comisión Internacional Electrotécnica RTC Real Time Clock Reloj de Tiempo Real PSRAM Pseudostatic Random Access Memory Memoria de Acceso Aleatorio Pseudoestática RTU Remote Terminal Units Unidades de Terminales Remotas TTL Transistor-Transistor Logic Lógica Transistor-Transistor CMMI Capability Maturity Model Integration Integración de modelos de madurez de capacidades ITIL Information Technology Infrastructure Library Biblioteca de Infraestructura de Tecnologías de Información PDCA Plan–Do–Check–Act Planificar-Hacer-Verificar-Actuar FMEA Failure Mode and Effect Analysis Análisis Modal de Fallas y Efectos HTTPS Hypertext Transfer Protocol Secure Protocolo seguro de transferencia de hipertexto UML Unified Modeling Language Lenguaje Unificado de Modelado DevOps Development & Operations Desarrollo y Operaciones RUP Rational Unified Process Proceso Racional Unificado OMS Organización Mundial de la Salud AI Artificial Intelligence Inteligencia Artificial EPA Environmental Protection Agency Agencia de Protección Medioambiental ML Machine learning Aprendizaje Automático PCB Printed Circuit Board Placa de Circuito Impreso ICR Indicadores Clave de Rendimiento SMT (Surface-Mount Technology): Tecnología de Montaje Superficial ix Listado de Figuras Figura 1-1. Diagrama de componentes diseñado por [76] para el sistema de monitoreo de la calidad del aire. ..................................................................................................................... 17 Figura 1-2. Enfoque empleado en [79] para la construcción de un registrador de datos. .... 19 Figura 1-3. Arquitectura de hardware diseñada en [79] para experimentos de campo. ....... 21 Figura 1-4. Arquitectura de hardware de [80] para monitoreo de calidad del aire. .............. 25 Figura 1-5. Nodo sensor para sistema de monitoreo de contaminantes del aire [82]. .......... 28 Figura 1-6. Diseño de nodo sensor de [84] para monitoreo de contaminantes del aire. ....... 32 Figura 1-7. Diagrama para crear una aplicación con método de bajo costo ......................... 43 Figura 2-1. Normas IPC aplicadas al diseño de placa de expansión personalizadas............ 51 Figura 2-2. Segmento de diagrama esquemático dedicado al bloque lógico del RTC. ........ 54 Figura 2-3. Ejemplo de distribución de pines y orificios de montaje en una placa de circuito impreso. ................................................................................................................................ 56 Figura 2-4. Arquitectura de hardware para sistema de monitoreo de calidad del aire. ........ 60 Figura 2-5. Desarrollo secuencial de etapas para el desarrollo de un software de operación. Fuente: Elaboración Propia. ................................................................................................. 61 Figura 2-6. Caso de uso para el sistema de monitoreo basado en plataformas abiertas. ...... 66 Figura 2-7. Arquitectura del sistema basada en plataformas de desarrollo de bajo costo. ... 69 Figura 2-8. Prueba de unidad realizada al sistema de monitoreo de calidad del aire. .......... 71 Figura 2-9. Prueba de particiones equivalentes para comprobar las entradas del sistema. .. 72 Figura 2-10. Prueba beta realizada al sistema para comprobar el ciclo de medición. .......... 73 Figura 3-1. Método propuesto para el diseño de registradores de datos de bajo costo. ....... 79 Figura 4-1. Distribución de componentes e interfaces en la placa de circuito impreso para Arduino Mega 2560 .............................................................................................................. 89 Figura 4-2. Diagrama de caso de estudio para monitoreo de calidad del aire exterior. ....... 91 Figura 4-3. Instalación del registrador de datos en el techo de la estación de referencia 42R801. ................................................................................................................................ 92 Figura 4-4. Archivo json generado por el software HMI para configuración del sistema. .. 93 Figura 4-5. Fragmento del archivo de configuración para sensores generado por el software HMI. ..................................................................................................................................... 93 Figura 4-6. Relación entre los datos provenientes de los sensores utilizados y datos de referencia proporcionados por la estación de monitoreo con referencia 42R801 situada en Amberes, Bélgica.................................................................................................................. 96 Figura 4-7. Serie de tiempo para la campaña de medición en ambientes exteriores realizada en la estación de monitoreo VMM en Antwerp, Bélgica desde el 3 hasta el 30 de junio del 2022. (a) Campaña de monitoreo completa. (b) Segmento ampliado para el análisis de datos. ..................................................................................................................................... 98 Figura 4-8. Distribución de componentes e interfaces en la placa de circuito para la LilyGO TTGO T-Beam v1.1. .......................................................................................................... 100 Figura 4-9. Recorrido urbano en Santa Clara durante la campaña de monitoreo. .............. 102 Figura 4-10. Configuración del sistema realizada para la placa LilyGo TTGO T-Beam mediante software HMI. ..................................................................................................... 103 x Figura 4-11. Empleo del software HMI para la configuración del sensor de material particulado NOVA SDS011. .............................................................................................. 103 Figura 4-12. Arquitectura de hardware para caso de estudio de mapeo móvil. ................. 104 Figura 4-13. Comportamiento del material particulado y contaminantes gaseosos en la ruta. ............................................................................................................................................ 105 Figura 4-14. Pantalla principal de configuración genérica para el sistema de monitoreo. . 107 Figura 4-15. Base de datos construida a partir de datos introducidos por el usuario. ........ 108 Figura 4-16. Validación del archivo json de configuración para Arduino Mega. .............. 109 Figura 4-17. Formulario de configuración individual para el parámetro PM1. .................. 110 xi Listado de Tablas Tabla 1-1. Indicadores de [76] aplicados al hardware en sistemas de monitoreo de aire .... 16 Tabla 1-2. Criterios para el uso de sensores de bajo costo en monitoreo de calidad del aire. .............................................................................................................................................. 16 Tabla 1-3. Métricas obtenidas mediante análisis de los resultados en pruebas reales.......... 17 Tabla 1-4. Indicadores empleados en [79] para la construcción del registrador de datos. ... 20 Tabla 1-5. Indicadores propuestos para la selección de sensores del registrador de datos. . 20 Tabla 1-6. Métricas aplicadas a datos durante experimentos de campo para su validación. 21 Tabla 1-7. Indicadores aplicados a nivel de dispositivo para sistema de monitoreo. ........... 24 Tabla 1-8. Indicadores establecidos durante el proceso de selección de sensores. .............. 24 Tabla 1-9. Indicadores implicados en el análisis y validación de los datos obtenidos. ........ 25 Tabla 1-10. Indicadores aplicados al diseño de registrador de datos desarrollado. .............. 28 Tabla 1-11. Métricas analizadas durante el proceso de selección de sensores. .................... 29 Tabla 1-12. Métricas evaluadas durante el proceso de selección de sensores. ..................... 29 Tabla 1-13. Uso de indicadores para la construcción del registrador de datos. ................... 31 Tabla 1-14. Criterios aplicados en el proceso de selección y validación de sensores. ......... 32 Tabla 1-15. Indicadores considerados en la evaluación de los datos recolectados. ............. 32 Tabla 1-16. Resumen de los aspectos analizados en la revisión bibliográfica. .................... 34 Tabla 1-17. ICR recomendados en la construcción del dispositivo. .................................... 36 Tabla 1-18. Variables que influyen en la calidad del aire según la OMS. ........................... 39 Tabla 1-19. ICR recomendados en la selección y validación de los sensores. ..................... 39 Tabla 1-20. ICR recomendados en el análisis y empleo de los datos recolectados. ............. 41 Tabla 2-1. Requisitos definidos por los desarrolladores y usuarios en la construcción del sistema de monitoreo para aplicaciones de calidad del aire. ................................................ 47 Tabla 2-2. Normas IPC empleadas en la fabricación de la placa de expansión. .................. 52 Tabla 2-3. Técnicas de diseño orientadas a mejorar la fiabilidad en la PCB. ...................... 55 Tabla 2-4. Rangos de valores y concentraciones en función del tiempo de exposición....... 57 Tabla 2-5. Sensores incorporados a sistemas de monitoreo de calidad del aire. .................. 58 Tabla 2-6. Actividades previstas por los desarrolladores en la implementación del software. .............................................................................................................................................. 62 Tabla 2-7 Requisitos identificados por los desarrolladores y usuarios finales. .................... 74 Tabla 3-1. Método para el desarrollo de un sistema de monitoreo de calidad del aire. El marco de evaluación correspondiente se describe en las Tablas 3-2 – 3-4. ......................... 78 Tabla 3-2. Descripción general de objetivos e ICR relacionados con el nivel del dispositivo. .............................................................................................................................................. 81 Tabla 3-3. Resumen de objetivos e ICR relacionados a nivel de sensores. .......................... 82 Tabla 3-4. Resumen de objetivos e ICR relacionados con el nivel de datos. ....................... 83 Tabla 3-5. Clasificación y Puntuación de Indicadores Clave de Rendimiento modelos. ..... 86 Tabla 3-6. Evaluación ponderada de Indicadores Clave de Rendimiento. ........................... 86 Tabla 4-1. Componentes de hardware introducidos para suplir limitaciones funcionales. .. 90 Tabla 4-2. Desempeño de los registradores de datos en diferentes locaciones ambientales.99 xii Tabla 4-3. Optimizaciones aplicadas en la placa de expansión personalizada para T-Beam v1.1 (LilyGO). .................................................................................................................... 100 Tabla 4-4. Desempeño de los registradores de datos en distintos escenarios de operación. ............................................................................................................................................ 107 Tabla 4-5. Asignación de memoria y consumo energético durante experimentos de campo. ............................................................................................................................................ 109 Tabla 4-6. Evaluación de los diseños a través esquemas de puntuación. ........................... 111 Tabla 4-7. Evaluación ponderada de los ICR en ambos diseños. ....................................... 113 Tabla 4-8. Componentes y precios para registradores de datos de bajo costo ................... 116 Tabla 4-9. Valoración económica realizada al registrador móvil. ...................................... 118 Introducción 1 Introducción Los registradores de datos se han convertido en herramientas fundamentales para monitorear y analizar información en diversos procesos. En la actualidad existen múltiples sistemas de adquisición de datos desplegados en industrias, laboratorios científicos o sistemas médicos [1-3]. Los mismos aseguran una alta fiabilidad a las mediciones y datos que obtienen de los procesos a los que están interconectados. Asociados a estos sistemas se implementan estrictos procesos de calibración de los instrumentos de medición involucrados. Como inconveniente de estos sistemas resaltan sus altos costos de instalación y mantenimiento [4, 5]. Su uso se acota en gran medida a los intereses de países, organismos o empresas con la capacidad de financiarlos, mientras que científicos individuales o instituciones de menor solvencia se ven limitados para desarrollar trabajos de investigación científica o de carácter tecnológico. En contraste con la situación antes planteada, han surgido los registradores de datos basados en hardware de bajo costo y código abierto. Los mismos han transformado el monitoreo industrial al permitir la recolección automatizada y remota de datos en tiempo real. Se encuentran integrados en diversos sectores, desde energía renovable hasta salud, ofreciendo soluciones escalables y rentables [6, 7]. El concepto de hardware abierto, que se remonta a la década de los 80 [8], ha evolucionado gracias a la filosofía de compartir conocimientos y recursos, fomentando la innovación y el progreso tecnológico. Plataformas como Arduino y Raspberry Pi, lanzadas en 2005 y 2012 respectivamente, han sido claves en este movimiento, ofreciendo sistemas de hardware y software abierto que permiten a entusiastas y desarrolladores crear prototipos y dispositivos electrónicos personalizables [9, 10]. Estas iniciativas han atraído a una amplia comunidad y han impulsado la expansión del hardware abierto a áreas como microcontroladores, dispositivos IoT, drones y computadoras personales [11]. Además, organizaciones como la Open Source Hardware Association (OSHWA) han trabajado para establecer estándares y promover buenas prácticas en este ámbito [12]. En aplicaciones prácticas, los registradores de datos de bajo costo basados en hardware abierto desempeñan un papel crucial, ya que permiten a los usuarios adaptar y Introducción 2 personalizar los dispositivos según las necesidades específicas de cada entorno [13]. La transparencia que ofrece el acceso al diseño de hardware y al código fuente es esencial en aplicaciones críticas o científicas, donde la confianza y la verificación son fundamentales [14]. Además, estos registradores facilitan la modificación y expansión del hardware, permitiendo a los usuarios agregar nuevas funciones y características en respuesta a necesidades cambiantes [15]. El software abierto disponible para su uso en registradores de datos incluye: firmware, drivers de sensores y otras herramientas de programación. Esto es de vital importancia para maximizar la funcionalidad y adaptabilidad de los dispositivos. Al proporcionar acceso al código fuente, los usuarios pueden estudiar, modificar y optimizar las funcionalidades según sus necesidades específicas. Esto resulta especialmente útil en aplicaciones especializadas o entornos con requisitos particulares [16, 17]. Esta transparencia no solo fomenta la confianza en el sistema, sino que también facilita la verificación y validación de los procesos. Además, el software abierto promueve la colaboración entre comunidades de desarrolladores, acelerando la innovación y la resolución de problemas mediante la mejora colectiva de los códigos y la integración de nuevas características [18]. En el caso de los drivers de sensores, por ejemplo, la disponibilidad del código permite a los usuarios adaptar los registradores de datos a una amplia variedad de sensores, incluso aquellos no originalmente compatibles, ampliando así las posibilidades de uso. Los registradores de datos de bajo costo han tenido un impacto significativo en diversas áreas en los últimos años. Las ciencias ambientales, la ingeniería, la agricultura o el control de flotas, los han visto desplegados para medir variables asociadas a la concentración de contaminantes atmosféricos, la optimización de recursos hídricos, la eficiencia energética, el monitoreo de cultivos y la gestión logística [19-28]. Sin embargo, a pesar de su amplia promoción en círculos académicos y de entusiastas, en estas investigaciones no se aprecia el uso de un método de diseño estandarizado. Esta carencia limita la replicabilidad, escalabilidad y comparación de resultados entre diferentes proyectos, ya que cada desarrollo suele partir desde cero, aumentando costos y tiempos de implementación. Esta insuficiencia reduce su desarrollo y grado de introducción, así como complejiza la colaboración entre investigadores y la validación de los datos obtenidos de los mismos. Introducción 3 La presente investigación profundiza en el concepto del desarrollo de registradores de datos basados en hardware de bajo costo y código abierto. Para esto se apoya en la experiencia adquirida a lo largo de los últimos 5 años en el desarrollo de registradores de datos para satisfacer las necesidades de dos proyectos internacionales y uno nacional. Los dos primeros entre la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas (UCLV) y la Academia Marítima de Amberes (AMA) fueron encaminados al desarrollo de hardware embebido para la medición de la calidad del aire en entornos interiores y exteriores portuarios; así como las concentraciones de contaminantes en los gases de escape de motores diésel [29-31]. El proyecto nacional entre la UCLV y la Empresa GEOMIX del grupo GEOCUBA estuvo encaminado a medir parámetros ambientales para la toma de decisiones en el entorno agrícola. En estos proyectos, por la UCLV, trabajan de la mano las facultades de Ingeniería Eléctrica y Química – Farmacia; los ingenieros de la primera diseñan y montan los sistemas, mientras los licenciados e ingenieros químicos se encargan de calibrar, explotar y evaluar los mismos en los entornos de aplicación. Un rol similar se cumple con AMA, donde los técnicos y marineros despliegan los sistemas diseñados en la evaluación de diferentes componentes de los entornos portuarios. Esta labor interdisciplinaria llevó al desarrollo de varios registradores de datos de propósito específico o general [30-32], que, complementados con sensores de bajo costo, permiten abordar múltiples aplicaciones relacionadas con el monitoreo de la calidad del aire. El análisis de los resultados obtenidos en las versiones de registradores de datos antes mencionadas permitió identificar varias limitaciones existentes en sus diseños. Entre estas se destacan la carencia de una placa de expansión personalizada para facilitar la conexión sencilla de sensores y otros dispositivos, la cobertura insuficiente de contaminantes debido a la ausencia de sensores específicos para gases como CO y NO₂, la autonomía energética limitada de la versión móvil, restringida a aproximadamente 24 horas mediante baterías, y la falta de un algoritmo de diagnóstico por software que permitiera comprobar el correcto funcionamiento del sistema antes de su puesta en operación. A lo largo de esta cooperación quedó claro que la ausencia de un método de diseño limitaba el alcance de las Introducción 4 investigaciones. A partir de lo expuesto anteriormente se plantea el siguiente problema científico: Problema Científico: No se dispone de un método para el diseño de registradores de datos de bajo costo que garantice un adecuado funcionamiento en aplicaciones de medición de calidad del aire. Donde la ausencia de un enfoque metodológico unificado dificulta la adaptación de estos dispositivos a nuevas necesidades y entornos, así como la falta de Indicadores Clave de Rendimiento (ICR) para evaluar el diseño de los registradores de datos. Objetivo de la Tesis Dado el problema mencionado, se plantea la siguiente hipótesis: la propuesta de un método para el diseño de registradores de datos basados en hardware de bajo costo y código abierto, para aplicaciones de calidad del aire, puede ayudar a desarrolladores en la temática medioambiental con recursos limitados a implementar sistemas capaces de proveer información de valor práctico y científico. De lo planteado anteriormente surge como Objetivo general de la investigación: Elaborar un método, basado en indicadores clave de rendimiento, para el diseño de registradores de datos basados en hardware de bajo costo y código abierto, para aplicaciones de calidad del aire. Objetivos Específicos: 1- Establecer los indicadores clave de rendimiento que servirán de base al método propuesto. 2- Establecer los procedimientos para el diseño de la arquitectura de hardware en registradores de datos, utilizando componentes de hardware abierto y de bajo costo, que cumplan con los Indicadores Clave de Rendimiento (ICR) requeridos para aplicaciones de medición de calidad del aire. 3- Establecer los procedimientos para el diseño de la arquitectura de software del registrador de datos, asegurando que cumpla con los requisitos funcionales y no Introducción 5 funcionales derivados de las necesidades específicas del usuario en aplicaciones de monitoreo de calidad del aire. 4- Evaluar el método presentado en el diseño de varios registradores de datos de bajo costo. 5- Validar el desempeño de los registradores de datos diseñados siguiendo el método propuesto, mediante campañas de monitoreo de calidad del aire en diversos escenarios. Novedad científica y aportes de la investigación: Novedad: Se considera como la novedad científica de la investigación el desarrollo de un método para el diseño de registradores de datos basados en hardware de bajo costo y código abierto, para aplicaciones de calidad del aire, producto de la experiencia acumulada en el desarrollo y evaluación de múltiples aplicaciones previas. Contribuciones Teóricas: Desarrollo de un método para el diseño de registradores de datos de bajo costo y código abierto, para aplicaciones de calidad del aire, basado en indicadores clave de rendimiento. Contribuciones Metodológicas: - Establecer los parámetros de evaluación del método propuesto a partir de las experiencias obtenidas a través del ciclo de evaluación, corrección y actualización. Contribuciones prácticas: - Desarrollo de sistemas de hardware para registradores de datos, que con un diseño flexible permiten abordar múltiples entornos en aplicaciones de monitoreo de la calidad del aire. - Desarrollo de una arquitectura de software flexible, abierta y capaz de adaptarse a las necesidades del usuario típico de registradores de datos en aplicaciones de calidad del aire. - Validación de los registradores de datos propuestos mediante campañas de monitoreo de parámetros asociados a la calidad del aire organizadas en diferentes escenarios. Introducción 6 Organización del informe Esta investigación presenta la siguiente estructura: Introducción Capítulo 1: Se analizan un grupo de propuestas relacionadas con el empleo de registradores de datos basado en hardware de bajo costo y código abierto, examinando la existencia o no de un método involucrado en su diseño. De igual forma se examinan las arquitecturas de hardware y software presentes en las investigaciones consultadas con el objetivo de extraer prácticas de diseño fiables. A partir de este análisis se establecen un conjunto de Indicadores Clave de Rendimiento los cuáles constituyen las métricas para la implementación de los registradores propuestos. Se introduce de manera práctica el concepto de método ingenieril para el desarrollo de proyectos especialmente los asociados a tecnología de bajo costo. Capítulo 2: Se diseña a partir de los Indicadores Clave de Rendimiento y requisitos de usuario las dos variantes de registradores de datos, una pensada para aplicaciones estáticas y otra para móviles. Se diseña una placa de expansión personalizada como parte de la arquitectura de hardware basada en normas de diseño estandarizadas. Se selecciona un conjunto de sensores ajustados a los criterios de aplicación para monitoreo de la calidad del aire y bajo normativas internacionales de la OMS y cubanas. Se presenta la arquitectura de software, aplicada al software de operación (firmware) y al de configuración, desarrollada bajo las premisas de ingeniería de software. Capítulo 3: Se describe formalmente el método de diseño de registradores de datos de bajo costo para aplicaciones de monitoreo de calidad del aire. La evaluación del método de diseño se basa en un esquema de puntuación discreta para cada ICR, con el propósito de cuantificar el grado de cumplimiento en términos normalizados y comparables. Capítulo 4: Se muestra la flexibilidad de los registradores de bajo costo diseñados a través de pruebas experimentales, en condiciones reales de operación en Cuba y Bélgica. Conclusiones Recomendaciones Referencias Bibliográficas Anexos Avances y tendencias en el empleo de registradores de datos de bajo costo 7 1. Capítulo I. Avances y tendencias en el empleo de registradores de datos de bajo costo El presente capítulo tiene como propósito ofrecer una visión general de los avances y tendencias en el diseño y uso de registradores de datos, con especial énfasis en aquellos de bajo costo [33] aplicados al monitoreo de la calidad del aire. Se inicia con un análisis histórico del surgimiento de los primeros sistemas de adquisición de datos y su progresiva evolución hacia arquitecturas digitales, flexibles y personalizables. Posteriormente, se exponen diversas variantes de DAS, atendiendo a sus tipos, aplicaciones y características técnicas más relevantes. Finalmente, se examinan aplicaciones actuales vinculadas al empleo de registradores de bajo costo en aplicaciones de monitoreo de calidad del aire y las tendencias emergentes que delinean el futuro de esta área. El análisis realizado no se limita a una revisión descriptiva o crítica de casos de uso, sino que establece los fundamentos conceptuales y operativos que sustentan las primeras etapas del método de diseño propuesto en esta investigación. En este sentido, se prioriza, en primer lugar, la identificación de las características que definen el correcto funcionamiento de un registrador de datos, considerando su evolución y presencia en diferentes enfoques y desarrollos previos. En segundo lugar, se introducen los Indicadores Clave de Rendimiento (ICR) como criterios objetivos de evaluación del desempeño, destacando la necesidad de sistematizar las métricas dispersas identificadas en la literatura. De esta forma, el capítulo sienta las bases teóricas necesarias para la formulación estructurada del método que se presenta posteriormente. La búsqueda de conocimiento ha estado siempre ligada al desarrollo de herramientas científicas capaces de ofrecer resultados precisos sobre la percepción de nuestro entorno. En la actualidad, muchos sistemas requieren recopilar información para su análisis, y es aquí donde los Sistemas de Adquisición de Datos (DAS, por sus siglas en inglés) juegan un importante papel. Estos sistemas están diseñados para capturar señales que representan condiciones físicas del mundo real, como temperatura, humedad o presión, convirtiéndolas generalmente en magnitudes de naturaleza eléctrica que luego se transforman en valores numéricos discretos. En esencia, los DAS convierten señales continuas en datos procesables y comprensibles para sistemas de cómputo comunes. Avances y tendencias en el empleo de registradores de datos de bajo costo 8 Desde sus inicios, los Sistemas de Adquisición de Datos han evolucionado notablemente, adaptándose a las demandas de la industria y la investigación. Lo que comenzó como herramientas básicas se ha transformado en soluciones tecnológicas avanzadas, integradas en aplicaciones prácticas como el monitoreo industrial, la automatización de procesos y el análisis científico. La historia de los DAS se remonta a la década de 1960, cuando IBM desarrolló su primera máquina de adquisición de datos, el IBM 7700 [34]. Un año después, lanzó el IBM 1800, que introdujo la innovación de almacenamiento en disco [35]. Un hito importante ocurrió en 1981, cuando IBM logró conectar un sistema de adquisición de datos a un computador personal, dando origen al IBM Personal Computer and Scientific Solutions [36]. Desde entonces, numerosas empresas han contribuido al desarrollo de estos sistemas, logrando diseños más compactos, portables y con un alto rendimiento. En cuanto a la programación de estos sistemas, existen varios lenguajes asociados, como Pascal, Lisp, C++, LabVIEW y Java [37]. Inicialmente, Pascal y Lisp fueron los más utilizados por su simplicidad. Sin embargo, con el avance tecnológico, C++ se impuso por su eficiencia, control y amplia gama de bibliotecas para interfaces de hardware [38]. Por su parte, LabVIEW destaca por ser un lenguaje visual que facilita la creación de DAS complejos mediante una interfaz gráfica intuitiva. Finalmente, Java es ampliamente utilizado gracias a su flexibilidad y capacidad para funcionar en múltiples plataformas, lo que lo hace ideal para sistemas operativos diversos [39]. Evolución y personalización de los DAS En la actualidad, los Sistemas de Adquisición de Datos han incorporado tecnologías emergentes como el Internet de las Cosas (IoT por sus siglas en inglés) y la inteligencia artificial (AI por sus siglas en inglés), lo que ha permitido una mayor integración y automatización en la captura y análisis de datos [40]. Por ejemplo, los DAS actuales suelen incorporar soporte inalámbrico para transmitir datos en tiempo real a servidores en la nube o en el borde, donde se procesan y analizan mediante diversos algoritmos. Esto ha abierto nuevas posibilidades en campos como la monitorización remota de infraestructuras críticas, la agricultura de precisión y la medicina personalizada. Además, la miniaturización de los componentes electrónicos ha permitido el desarrollo de DAS portátiles y de bajo consumo, Avances y tendencias en el empleo de registradores de datos de bajo costo 9 ideales para aplicaciones en entornos remotos o de difícil acceso [41]. Estos dispositivos suelen estar equipados con sensores de alta precisión y sistemas de alimentación autónomos, como paneles solares o baterías de larga duración, lo que los hace especialmente útiles en contextos donde la energía y el espacio son limitados. Sin embargo, a pesar de estos avances, los DAS aún enfrentan desafíos significativos. Uno de los principales es la gestión de grandes volúmenes de datos (big data), que requiere soluciones eficientes para el almacenamiento, procesamiento y análisis de información. La capacidad de capturar y transmitir datos en tiempo real es importante, pero también exige técnicas avanzadas de compresión de datos, arquitecturas de computación distribuida y algoritmos de aprendizaje automático para manejar la creciente cantidad de información generada [42]. Otro reto importante es garantizar la seguridad y privacidad de los datos, especialmente en aplicaciones críticas como la salud, la defensa o las infraestructuras urbanas. La conectividad de los DAS los hace vulnerables a ciberataques, lo que ha impulsado la implementación de sistemas de ciberseguridad [43]. En el ámbito del software, la tendencia es hacia la estandarización de protocolos y la interoperabilidad entre diferentes sistemas, lo que permitirá una mayor flexibilidad y reducción de costos en la implementación de soluciones personalizadas [44]. Asimismo, se espera que herramientas de análisis de datos y machine learning, ganen espacio en los desarrollos a corto plazo. Variantes de Sistemas de Adquisición de Datos: Tipos y Características Los Sistemas de Adquisición de Datos (DAS) están compuestos por tres elementos fundamentales que garantizan su correcto funcionamiento: los sensores, los circuitos de acondicionamiento de señales y los convertidores analógico-digitales (ADC) [45]. Los sensores son responsables de capturar las señales del entorno, como temperatura, humedad o presión, y convertirlas en señales eléctricas. Estas señales, sin embargo, suelen ser de pequeña magnitud o contener ruido, por lo que los circuitos de acondicionamiento de señales se encargan de amplificarlas, filtrarlas y prepararlas para su procesamiento. Finalmente, los ADC transforman estas señales analógicas en valores digitales que pueden ser interpretados por sistemas de cómputo. Estos tres componentes conforman la columna vertebral de cualquier DAS y los requerimientos impuestos a cada uno de ellos permiten la creación de Avances y tendencias en el empleo de registradores de datos de bajo costo 10 diversos sistemas personalizados como: las tarjetas de adquisición de datos, las Unidades de Terminales Remotas (RTU por sus siglas en inglés) y los registradores de datos [46]. Las tarjetas de adquisición de datos actúan como interfaces entre los sensores y las computadoras, y suelen estar equipadas con componentes de alto rendimiento, como temporizadores de alta velocidad, ADC de 16 bits y multiplexores [47-49]. Por otro lado, las RTU son dispositivos significativos en los sistemas SCADA, ya que permiten la interconexión de sensores, actuadores y otros dispositivos con sistemas de control centralizados. Su arquitectura, basada en microcontroladores, facilita el procesamiento en tiempo real y la comunicación en entornos industriales [50, 51]. Finalmente, los registradores de datos son dispositivos autónomos que recopilan y almacenan información durante largos períodos, siendo especialmente útiles en aplicaciones de monitoreo ambiental o industrial [52]. En los últimos años, las plataformas de hardware abierto como Raspberry Pi, ESP32 y Arduino han revolucionado el desarrollo de los DAS de bajo costo, en particular en la creación de registradores de datos [53-55]. La Raspberry Pi, una minicomputadora de placa simple, destaca por su elevado desempeño computacional y su capacidad para conectarse a una amplia variedad de sensores y actuadores. Su sistema operativo de código abierto, basado en Linux, permite una gran flexibilidad en la programación y personalización. Por su parte, el ESP32 es un microcontrolador que integra múltiples protocolos de comunicación inalámbrica, como Wi-Fi y Bluetooth, lo que lo hace ideal para aplicaciones de IoT. Además, su arquitectura de 32 bits y sus modos de bajo consumo lo convierten en una opción adecuada para aplicaciones portables. Finalmente, Arduino es ampliamente utilizado por su simplicidad y bajo costo, siendo ideal para proyectos de monitoreo de energía, calidad del aire y agricultura. Aunque requiere que el usuario construya el sistema y escriba el software, su diseño modular y su amplia comunidad de soporte lo hacen accesible incluso para principiantes. Al observar la evolución histórica de los registradores de datos, se reconoce que cada etapa respondió a la necesidad de fortalecer características específicas, como la confiabilidad, la precisión, la portabilidad, la capacidad de almacenamiento, la facilidad de uso y la interoperabilidad. Este análisis cronológico proporciona una base conceptual sólida para identificar y sistematizar las características que describen el funcionamiento adecuado de un Avances y tendencias en el empleo de registradores de datos de bajo costo 11 registrador de datos, constituyendo uno de los elementos fundamentales que orientan el método de diseño presentado en capítulos posteriores. Las plataformas de bajo costo, ya sean de diseño abierto o propietario han encontrado aplicaciones en una amplia gama de campos, demostrando su versatilidad y eficacia. En el ámbito medioambiental, se utilizan para el monitoreo de la calidad del aire, midiendo parámetros como la concentración de gases contaminantes, temperatura y humedad [30, 32, 53, 56-62]. En la agricultura, estos dispositivos permiten controlar el riego de cultivos, medir la tasa de respiración de frutas y verduras, e incluso monitorear la emisión de metano en la ganadería [63-65]. Además, en el sector energético, se emplean para supervisar la producción y el consumo de energía solar [66, 67]. Una de las mayores ventajas de estas plataformas es su bajo costo, lo que las hace accesibles para países de bajos ingresos o proyectos con presupuestos limitados. Sin embargo, la literatura evidencia limitaciones importantes: la calibración de sensores de bajo costo es un proceso complejo, la estabilidad a largo plazo es reducida y la comparabilidad entre dispositivos resulta limitada. Estas debilidades destacan la necesidad de establecer Indicadores Clave de Rendimiento (ICR) cuantificables, que permitan evaluar de manera objetiva la calidad de los registradores, más allá de sus características generales, constituyendo un elemento fundamental que orienta la evaluación técnica en el método de diseño desarrollado en capítulos posteriores. A pesar de algunos desafíos, como la necesidad de construir el sistema desde prácticamente cero o la falta de interfaces específicas para sensores, estas plataformas representan una alternativa viable y prometedora frente a los dispositivos comerciales de alto costo. En el caso particular de los registradores de datos aplicados al monitoreo de la calidad del aire destacan productos como Libelium Waspmote, AQMesh y Aeroqual con un uso ampliamente extendido entre colectivos interesados en el monitoreo medioambiental. Lamentablemente, sus precios son elevados: la plataforma Air Quality Station de Libelium Waspmote puede costar unos 6557 €, un kit de monitoreo básico de AQMesh sobre los 6458 € según su configuración, un monitor Aeroqual S-500 aproximadamente unos 5350 € para la unidad básica, y los alejan de muchos colectivos de investigadores en situaciones de limitación de recursos. De igual forma, sus arquitecturas pueden carecer de la capacidad para acomodar nuevos sensores o de permitir procesamientos adicionales. Igualmente, pueden Avances y tendencias en el empleo de registradores de datos de bajo costo 12 presentar limitantes en el empleo de software propietario o la necesidad de que el investigador desarrolle el software por sí mismo, lo que excluye su empleo por profesionales que carezcan de estas habilidades o les implica un pago por el desarrollo de versiones personalizadas de software. La Ingeniería de Software asociada al desarrollo de registradores de datos La ingeniería de software desempeña un papel importante en el diseño de aplicaciones relacionadas con la recolección de datos. Esta proporciona un enfoque sistemático basado en principios científicos, metodologías estructuradas y modelos de desarrollo robustos. El empleo de metodologías ágiles como Scrum [68] y Kanban [69] está esencialmente dedicado a proyectos flexibles y de rápida entrega. Estos métodos dividen el desarrollo en iteraciones cortas, permitiendo ajustes continuos. Como ejemplo se puede mencionar un registrador de datos vinculado a la agricultura de precisión, donde los requisitos pueden evolucionar según la retroalimentación de usuarios finales, un equipo ágil prioriza funcionalidades críticas y las prueba en prototipos rápidamente. El enfoque en cascada [70] sigue una secuencia lineal de etapas: análisis de requisitos, diseño, implementación, pruebas y mantenimiento durante su desarrollo. Este método es útil cuando los requisitos del registrador de datos están bien definidos desde el inicio, como en aplicaciones industriales con estándares rígidos (Ejemplo: medición de temperatura en entornos controlados). La rigidez como característica puede suponer un problema si surgen cambios en sensores o protocolos durante el desarrollo. El desarrollo de aplicaciones también requiere la aplicación de estándares y normas internacionales, como la ISO/IEC 25010. Esta tiene la finalidad de evaluar la calidad del software. Mientras que la ISO/IEC 12207 valora los procesos de ciclo de vida del software, asegurando la consistencia, interoperabilidad y cumplimiento de requisitos legales y técnicos. Los modelos de calidad y gestión como CMMI e ITIL permiten mejorar procesos y garantizar el desarrollo sostenible. De la misma manera, el uso de patrones de diseño, diagramas UML y buenas prácticas de programación facilita la construcción de arquitecturas modulares, escalables y mantenibles. Estos enfoques integrados aseguran que las aplicaciones sean confiables, seguras y adaptables a las necesidades cambiantes del mercado. Avances y tendencias en el empleo de registradores de datos de bajo costo 13 Aunque muchas personas escriben programas de manera individual para el desarrollo de registradores de datos, el proceso de construcción del software se considera una actividad profesional realizada por equipos y dirigida a objetivos específicos. La ingeniería de software se enfoca en apoyar este desarrollo profesional, proporcionando técnicas para la especificación, diseño y evolución del software, áreas que no son relevantes en el desarrollo de software personal. A diferencia del desarrollo individual, el software profesional incluye no solo los programas en sí, sino también la documentación y datos de configuración necesarios para su correcto funcionamiento. Un sistema de software profesional suele estar compuesto por múltiples programas y archivos de configuración, además de documentación del sistema y del usuario, y sitios web para actualizaciones. La principal diferencia entre el desarrollo profesional y el aficionado radica en la necesidad de documentación y guías adicionales en el primero, para que otros usuarios e ingenieros puedan utilizar y modificar el software. La ingeniería de software resulta fundamental para identificar las características esenciales que definen un diseño adecuado de un registrador de datos. Parámetros como la confiabilidad del sistema, su escalabilidad, la interoperabilidad con otros dispositivos y plataformas, así como la usabilidad de las interfaces de configuración, dependen directamente de decisiones tomadas en la fase de ingeniería de software, constituyendo elementos clave que orientan el método de diseño presentado en el tercer capítulo. Resumen acerca de los diferentes Procesos de Software En la literatura científica se encuentran disponibles gran variedad de procesos para el desarrollo de software. Todos estos poseen características particulares que los hacen adecuados para las aplicaciones objeto de estudio. En contextos donde la fiabilidad es crítica, como en dispositivos médicos o aeroespaciales, se emplea el enfoque basado en modelos (Model-Based Design) [20]. Este proceso utiliza simulaciones para representar el comportamiento del software antes de escribirlo, lo que ayuda a predecir fallos en escenarios complejos. Además, metodologías como el V-Model [26] enfatizan la validación temprana: cada etapa de diseño tiene una prueba correspondiente, asegurando que el registrador de datos cumpla especificaciones técnicas desde fases iniciales. El modelo de prototipado [71] facilita la comprensión de requisitos mediante la creación de prototipos, pero puede resultar en un Avances y tendencias en el empleo de registradores de datos de bajo costo 14 diseño menos formal en cuanto a requisitos. El modelo de desarrollo espiral [72] combina el enfoque en cascada y el prototipado, enfocándose en la gestión de riesgos, aunque su implementación puede resultar compleja y económicamente costosa. Un enfoque emergente es el DevOps [73] para sistemas embebidos, este integra desarrollo y operaciones para acelerar ciclos de vida. Mediante este se pueden automatizar pruebas de regresión cada vez que se modifica el código del registrador de datos, o usar entornos de simulación para replicar condiciones de campo antes de su puesta en funcionamiento. Esto reduce riesgos en aplicaciones críticas, como monitoreo de infraestructuras energéticas. El Modelo RUP [74] es un marco de desarrollo de software que promueve un enfoque iterativo e incremental. Se organiza en cuatro fases: Inicio, Elaboración, Construcción y Transición, cada una con objetivos específicos. Durante la fase de Inicio, se definen los requisitos y se evalúa la viabilidad del proyecto. En la elaboración, se realiza un análisis más profundo, se desarrolla un modelo de arquitectura y se identifican riesgos. La fase de construcción se centra en la implementación del software y en la creación de versiones incrementales. Finalmente, en la fase de transición, el sistema se entrega al cliente y se realizan las pruebas finales. RUP enfatiza la documentación, la gestión de requisitos y la participación continua de los usuarios finales, lo que permite adaptarse a cambios y mejorar la calidad del software a lo largo del ciclo de vida del desarrollo. En este contexto, la aplicación de modelos de desarrollo de software constituye una herramienta clave para estructurar y optimizar el ciclo de vida del software que controla a los registradores de datos. Desde una perspectiva general, estos procesos de desarrollo contribuyen a identificar y organizar las características esenciales de los registradores, tales como la confiabilidad, la escalabilidad, la mantenibilidad y la interoperabilidad. Dichas características no se definen únicamente a nivel de hardware, sino que reflejan la correcta aplicación de prácticas de diseño y validación del software. Asimismo, la utilización de estos modelos permite establecer Indicadores Clave de Rendimiento (ICR) pertinentes para evaluar el funcionamiento del software de operación y configuración, constituyendo elementos fundamentales que sientan las bases del método de diseño presentado más adelante. Avances y tendencias en el empleo de registradores de datos de bajo costo 15 Uso de registradores de datos de bajo para monitoreo medioambiental Esta sección estará dedicada al análisis y revisión de contribuciones encontradas en la literatura científica acerca de los registradores de datos de bajo costo, su diseño y aplicación en el monitoreo de la calidad del aire. Su versatilidad y capacidad para adaptarse a diferentes entornos y aplicaciones hacen que sean empleados en una amplia variedad de campos científicos y tecnológicos. Además, se realizará una valoración atendiendo a los criterios de diseño y evaluación planteados en [75], que permita valorar cada investigación según el enfoque de aplicación de los siguientes aspectos: - Empleo de métodos de diseño de hardware y software en aplicaciones de monitoreo de la calidad del aire. - Uso de Indicadores Clave de Rendimiento para elevar la fiabilidad del sistema. - Selección y validación de los sensores integrados. - Análisis y empleo de los datos registrados. Caso de estudio 1. Sistema económico de monitoreo de calidad del aire: eficacia vs. métodos tradicionales El sistema de monitoreo de la calidad del aire presentado por investigadores de la Universidad de Yaoundé I, Camerún [76] aborda el desarrollo del mismo y su eficiencia en términos económicos y energéticos. Su objetivo principal es proporcionar una alternativa viable a los métodos convencionales de monitoreo de la calidad del aire, haciendo que la vigilancia ambiental sea más accesible en regiones y países de bajos ingresos. El estudio pone énfasis en la necesidad de contar con sistemas de monitoreo que sean asequibles y que puedan ser desplegados a gran escala, especialmente en áreas con recursos limitados. A través de la comparación con métodos tradicionales como el Stacked Filter Unit (SFU) Sampler [77] , se muestra que, aunque los sistemas de bajo costo presentan ciertas limitaciones, como la necesidad de calibraciones frecuentes y posibles variaciones en la precisión de los datos, ofrecen una solución práctica para la monitorización continua de la calidad del aire. El registrador de datos diseñado está basado en la plataforma Arduino, sensores económicos y métodos comparativos, e incorpora herramientas que permiten conectividad y el uso de la nube para el almacenamiento y análisis de datos, facilitando la accesibilidad y el monitoreo en tiempo real. Esta capacidad mejora la respuesta ante niveles peligrosos de Avances y tendencias en el empleo de registradores de datos de bajo costo 16 contaminación y contribuye a una mejor gestión de la calidad del aire. Si bien esta investigación no aplica explícitamente métodos de diseño en la construcción del sistema de monitoreo, establece indicadores a nivel de dispositivo que se consideran acertados para su implementación, los cuales se detallan en la Tabla 1-1. Tabla 1-1. Indicadores de [76] aplicados al hardware en sistemas de monitoreo de aire Indicador Descripción Selección de componentes Se eligieron sensores de bajo costo para detectar contaminantes específicos, como partículas en suspensión y gases tóxicos. Sistemas de integración El sistema se limita a segmentos de protoboard (placas de prueba) con cables interconectados, lo que dificulta la integración de hardware de forma eficiente (Figura 1-1). Escalabilidad Esta configuración, viable solo para pruebas conceptuales, la ausencia de interfaces estandarizadas compromete su adopción en entornos prácticos. Sistemas de alerta Se instaló la capacidad de enviar alertas automáticas cuando las concentraciones de contaminantes superaban los límites establecidos por la OMS [70] de 25 µg/m³ en el caso de las partículas en suspensión. Precio y portabilidad El costo declarado solo cubre componentes básicos, omitiendo PCB, carcasas y fuentes estables necesarias para la implementación real. El uso de protoboard limita la portabilidad y robustez, requiriendo rediseño para uso práctico. Implementación del prototipo Se ensamblaron los componentes seleccionados según el diseño propuesto, creando un prototipo funcional, pero limitando su uso a ambientes controlados. En este artículo no se detalla el empleo de la ingeniería de software en la confección del software de operación. Esta carencia hace que se dificulte la evaluación de este sistema de monitoreo en cuanto a la posibilidad de generar errores durante pruebas en la vida real. Aunque el proceso de selección de sensores no es descrito claramente, algunos indicadores fueron tomados en consideración. La Tabla 1-2 muestra de manera concreta estas métricas. Tabla 1-2. Criterios para el uso de sensores de bajo costo en monitoreo de calidad del aire. Indicador Descripción Cobertura de contaminantes Se selecciona un grupo de sensores en la categoría de bajo costo para la medición de partículas en suspensión y contaminantes gaseosos (CO2, CO, GLP, humo y PM2.5). Se señala que los sensores de la serie MQ producto que usan un filamento calentado generan desgaste electroquímico reduciendo su vida útil a periodos entre 1-2 años. Avances y tendencias en el empleo de registradores de datos de bajo costo 17 Precisión y Sensibilidad Se seleccionaron sensores con la capacidad de proporcionar datos cercanos a los valores reales. Umbral mínimo de detección ≤ 1 µg/m³ para partículas PM2.5. Compatibilidad con el microcontrolador Los sensores integrados al sistema poseen interfaces de comunicación analógica, lo cual garantiza su fácil integración. Para evaluar la fiabilidad de los datos se realizó un análisis comparativo de las concentraciones de material particulado obtenidas con el prototipo propuesto y un método de referencia. Para ello se empleó el muestreador GENT Stacked Filter Unit [77] como dispositivo patrón. Ambos dispositivos se colocaron en el mismo sitio de muestreo fijo y recolectaron datos simultáneamente durante un período de dos meses. La Tabla 1-3 muestra los indicadores tomados en la validación de los datos. Tabla 1-3. Métricas obtenidas mediante análisis de los resultados en pruebas reales. Indicador Descripción Coeficiente de Determinación (R²) Se calcula el coeficiente de determinación entre los datos del dispositivo y el método convencional, obteniéndose un valor de R² = 0,8897. Coeficiente de Fiabilidad Se evalúa la consistencia de las mediciones en comparación con el método de referencia, lográndose un resultado de 1,008 ± 0,01. Claridad con en la presentación de los datos Todos los resultados obtenidos son presentados en formatos comprensibles como es el caso de tablas y gráficos. Figura 1-1. Diagrama de componentes diseñado por [76] para el sistema de monitoreo de la calidad del aire. Fortalezas extraídas durante el análisis: 1- Costo-efectividad: El sistema reduce significativamente el costo del monitoreo de la calidad del aire, haciéndolo accesible para una implementación más amplia en áreas urbanas y rurales. Avances y tendencias en el empleo de registradores de datos de bajo costo 18 2- Datos en tiempo real: Proporciona retroalimentación inmediata sobre la calidad del aire, lo cual es crucial para intervenciones oportunas en salud pública. Limitaciones presentes en el sistema de monitoreo: 1- Sensibilidad de los sensores: La serie de sensores MQ empleados no destaca por su sensibilidad, debido a que la relación entre la resistencia del sensor en presencia del gas objetivo y la resistencia del sensor en aire limpio (𝑅𝑠 𝑅0⁄ ) es alta e inversamente proporcional a la concentración. Sus tiempos de respuesta son lentos (10 – 30 s). 2- Calibración: Los sensores de la serie MQ para medición de contaminantes gaseosos, así como el de material particulado seleccionados, requirieron de un proceso de calibración antes de ser empleados debido a sus altas derivas con respecto a sus valores de base. Las variaciones en la temperatura y la humedad requieren ajustes continuos. Para la serie de sensores MQ se recomienda un precalentamiento de 24 horas antes del empleo, lo que supone un gasto adicional de tiempo. 3- Fiabilidad de los datos: La fiabilidad a largo plazo de los sensores constituye un inconveniente, debido a la alta razón de degradación de los mismos. Los sensores de la serie MQ poseen expectativas de vida aproximadas de 2 años [78] , factores como la temperatura y humedad inciden directamente en su estabilidad y durabilidad. Este sistema de monitoreo de calidad del aire de bajo costo demuestra la posibilidad de despliegue en zonas rurales o comunidades con recursos limitados donde se realicen análisis cualitativos y no cuantitativos. Se destaca la importancia de características como la confiabilidad, la comparabilidad con equipos estándar y la capacidad de calibración como características esenciales del registrador. Se evidencian métricas como la correlación con datos de referencia y la estabilidad temporal del sistema, las cuales apoyan la necesidad de contar con indicadores medibles para evaluar objetivamente el desempeño de los registradores. Los sensores de la serie MQ muestran una precisión insuficiente para aplicaciones críticas como es el caso de monitoreo de calidad del aire. Las conexiones eléctricas manuales pueden generar altos niveles de ruido en las mediciones, así como inestabilidad mecánica. No se evidencia el empleo de algún método de diseño en la construcción de registrador de datos que garantice una adecuada fiabilidad. Avances y tendencias en el empleo de registradores de datos de bajo costo 19 Caso de estudio 2. Soluciones modulares basadas en Arduino orientados a la investigación de campo El diseño presentado por especialistas del Departamento de Ciencias de la Tierra de la Universidad de Minnesota [79] no menciona el uso de métodos de diseño para la implementación del registrador de datos, aunque el proceso de diseño se puede inferir a partir del contenido del artículo (Figura 1-2). Figura 1-2. Enfoque empleado en [79] para la construcción de un registrador de datos. Durante la revisión de este artículo no se mencionan explícitamente Indicadores Clave de Rendimiento (ICR) utilizados durante la construcción del dispositivo. Sin embargo, los autores destacan ciertas características clave en el diseño del registrador de datos, como bajo costo, peso ligero, bajo consumo de energía, amplio rango de temperatura de funcionamiento y compatibilidad con sensores ambientales estándar. Estas propiedades pueden considerarse métricas de rendimiento implícitas, que permiten evaluar objetivamente el desempeño del dispositivo y constituyen elementos fundamentales que orientan la aplicación sistemática de Indicadores Clave de Rendimiento (ICR) en el proceso de diseño. En la Tabla 1-4 se recogen las métricas relacionadas con la construcción del registrador de datos. Avances y tendencias en el empleo de registradores de datos de bajo costo 20 Tabla 1-4. Indicadores empleados en [79] para la construcción del registrador de datos. Indicador Descripción Empleo de hardware abierto Se selecciona como núcleo de las tres variantes de registradores de datos los microcontroladores ATMega328p y ATMega644. Rango de temperatura operativa Se asegura un rendimiento confiable en condiciones ambientales extremas. Estos dispositivos funcionan en un rango de temperaturas de -30 °C a +60 °C según las campañas de monitoreo en lugares puntuales como glaciales y desiertos. Respaldo energético Los tres modelos de registradores de datos fueron diseñados para ser energizados alternativamente por baterías alcalinas, pudiéndose alcanzar periodos de trabajo de hasta 1 año para el modelo más crítico de consumo durante pruebas de laboratorio. Capacidad de almacenamiento Se instala un módulo de tarjeta SD para el almacenamiento de datos. La capacidad total del sistema es de 32 GB de datos locales. Uso de licencias de código abierto Se utilizaron arquitecturas abiertas tanto de hardware como de software bajo licencias abiertas (GPL, GNU). Adaptabilidad Se introdujo esta característica con el objetivo de emplear estos modelos de registradores en diversos escenarios. Al igual que en un gran número de publicaciones, no se presenta de manera clara el empleo de la ingeniería de software en el desarrollo del software de operación, aunque se menciona el uso de licencias de código abierto para su implementación. En materia de software, los autores presentan un diagrama de flujo donde se refleja una serie de pasos para la toma de muestras. Aunque no son presentados de manera formal los ICR, algunos criterios fueron tomados en consideración para la selección y empleo de los sensores. La Tabla 1-5 muestra los indicadores empleados para el manejo de los sensores. Tabla 1-5. Indicadores propuestos para la selección de sensores del registrador de datos. Indicador Descripción Cobertura de variables Se selecciona un conjunto de sensores que dan cubrimiento a diversas variables dentro de un amplio espectro de aplicaciones. Ejemplo temperatura, humedad relativa, presión absoluta. Interfaces de comunicación Los sensores integrados en los registradores de datos poseen diversas interfaces de comunicación tanto analógicas como digitales (I2C) (Ver Figura 1-3). Tiempo de respuesta Todos los sensores incluidos en los diseños emplean tiempos de respuesta que permiten la captura de datos en periodos de tiempo inferiores a los 10 segundos. Esta contribución está orientada al empleo de registradores para investigación de campo. Para validar los datos obtenidos durante los experimentos se infieren varios Avances y tendencias en el empleo de registradores de datos de bajo costo 21 indicadores claves que garantizan un desempeño adecuado en la calidad de los datos. La Tabla 1-6 describe las siguientes métricas durante el proceso de validación. Tabla 1-6. Métricas aplicadas a datos durante experimentos de campo para su validación. Indicador Descripción Validez de contenido Se asegura que el dispositivo mida efectivamente las variables ambientales de interés del fenómeno estudiado. Confiabilidad de los datos Se evalúa la consistencia de las mediciones obtenidas por el registrador de datos en condiciones similares, asegurando que los resultados son reproducibles y estables a lo largo del tiempo. Precisión y exactitud Se verifica que las mediciones realizadas por el dispositivo sean cercanas al valor real de las variables ambientales. Figura 1-3. Arquitectura de hardware diseñada en [79] para experimentos de campo. Fortalezas detectadas durante la revisión de la investigación: 1- Accesibilidad y costo: Los registradores de datos son de código abierto y compatibles con Arduino, lo que reduce significativamente los costos y hace que la tecnología sea accesible para una amplia gama de usuarios. 2- Personalización: Los diseños personalizados basados en microcontroladores de plataforma Arduino como el ATMega328p permiten a los usuarios expandir las capacidades del registrador de datos. Características como módulo para el almacenamiento de datos, reloj de tiempo real y respaldo energético fueron incluidas en el diseño, propiciando un diseño más compacto y facilitando la adaptación a diversos tipos de investigaciones de campo. Avances y tendencias en el empleo de registradores de datos de bajo costo 22 3- Disponibilidad: Los desarrolladores del registrador de datos mantienen actualizado su proyecto en el repositorio digital GitHub. Todos los diseños esquemáticos, así como el software de código abierto, se encuentran disponibles en sus últimas versiones para su divulgación y uso extensivo. 4- Versatilidad: Los registradores desarrollados fueron empleados en diferentes ubicaciones geográficas, en condiciones climatológicas opuestas. Una campaña fue realizada en un clima desértico en Quebrada de Toro, Argentina y otra en el Glaciar Kennicott, Alaska. La primera con el objetivo de estudiar parámetros meteorológicos en clima desértico y la segunda monitorear la ablación de glaciar. Limitaciones: 1- Durabilidad y robustez: Durante prolongados periodos de operación se evidenciaron fallas de hardware debido en ocasiones a condiciones climatológicas adversas. Estas fallas fueron causadas típicamente por la acción continuada de la humedad relativa sobre la electrónica del registrador, agotamiento de la batería del RTC y mala colocación de la tarjeta SD durante proceso de descarga de la información. La primera fue solucionada con una carcasa de mayor nivel de protección y los dos restantes con un conjunto de leds para la indicación de fallas. 2- Calibración y precisión: Los autores de esta investigación proponen un diseño de propósito general. No se hace referencia a ningún tipo de proceso de calibración aplicado a los sensores, por lo que no se comprueba si la configuración por defecto es adecuada en el contexto de aplicación. 3- Limitaciones técnicas: Aunque la plataforma es accesible, puede haber limitaciones técnicas en términos de capacidad de procesamiento y almacenamiento de datos, lo que puede restringir su uso en investigaciones más avanzadas. 4- Totalidad de datos: El registrador construido no presenta ningún tipo de respaldo en caso de rotura o malfuncionamiento de los medios de almacenamiento. Es considerado un dispositivo aislado al no disponer de módulos de comunicación cableados o inalámbricos que permitan compartir los datos en caso de fallas. En resumen, la falta de métodos de diseño estandarizado que abarque todas las características presentes en los registradores de datos de bajo costo hace que aparezcan limitaciones en cuanto a durabilidad, precisión y fiabilidad. Los análisis de los resultados Avances y tendencias en el empleo de registradores de datos de bajo costo 23 presentados evidencian el uso de este tipo de registrador en aplicaciones con bajos niveles de criticidad, típicamente estudios de tendencia. Caso de estudio 3. Desarrollo de un sistema para el monitoreo de la calidad del aire basado en tecnología de bajo costo Científicos de la Facultad de Medicina en Augsburgo de conjunto con especialistas de la Facultad de Diseño de la Universidad de Ciencias Aplicadas en Múnich [80] abordan la creación y validación de dispositivos de bajo costo para el monitoreo de la calidad del aire. Los autores desarrollaron nodos sensores que permiten medir y analizar mediante pruebas de campo diversos contaminantes del aire y otras variables ambientales, como temperatura y humedad relativa (Figura 1-4). Estos sistemas de monitoreo fueron instalados junto a la estación de monitoreo regional cerca del Hospital Universitario de Augsburgo, Alemania. Se subraya la modularidad, la escalabilidad para integrar múltiples sensores y la facilidad de instalación como rasgos clave. Estas propiedades constituyen elementos fundamentales que respaldan la definición y evaluación sistemática de los registradores. Los datos recogidos por estos sistemas para el monitoreo de la calidad del aire fueron comparados con los obtenidos por la estación de monitoreo de calidad del aire de la red regional antes mencionada. La validación demostró una adecuada correlación entre las mediciones de los sensores de bajo costo y las estaciones de referencia (Tabla 1-9), sugiriendo que estos nodos sensores son efectivos para monitorear la calidad del aire en tiempo real y a un costo más bajo que las estaciones tradicionales. Además, el estudio aborda métodos de filtrado de datos para eliminar valores atípicos y no viables antes del análisis, lo que es crucial para asegurar la precisión de las mediciones obtenidas por estos sensores económicos. Esta investigación no aborda la aplicación de un método de diseño en la construcción de su sistema de monitoreo de la calidad del aire. Sin embargo, en el diseño de hardware, se encuentran de manera implícita en los objetivos y criterios de evaluación del sistema de monitoreo. No se identifica el empleo intensivo de principios ni prácticas relacionados con la ingeniería de software que aseguren el correcto funcionamiento del software de código abierto. La Tabla 1-7 muestra de manera puntual las métricas evaluadas por la investigación en el desarrollo del dispositivo. Avances y tendencias en el empleo de registradores de datos de bajo costo 24 Tabla 1-7. Indicadores aplicados a nivel de dispositivo para sistema de monitoreo. Indicador Descripción Consumo Energético Se establece un consumo de energía mínimo durante las transmisiones de datos para garantizar una operación eficiente y prolongada. Rendimiento de la Conectividad Conectividad confiable y segura, con baja latencia y sin caídas de conexión durante las transmisiones de datos. Durabilidad del Hardware La carcasa del dispositivo está construida con ABS plástico modificado para su uso en entornos exteriores, especialmente en condiciones ambientales cambiantes. Capacidad de almacenamiento Se instala un módulo de tarjeta SD para el almacenamiento masivo de datos. Se asegura que no se pierdan datos durante los períodos de desconexión. Portabilidad Se cumple con criterio de tamaño físico que permita una instalación flexible y transporte sencillo (37cm x 27cm x 15cm). La aplicación de métricas ayuda a asegurar que los sensores seleccionados sean adecuados para el monitoreo de la calidad del aire en el entorno previsto, manteniendo un equilibrio entre costo, fiabilidad, precisión y durabilidad. Aunque no se mencionen explícitamente en el artículo, estos son factores fundamentales que se evalúan durante el desarrollo de sistemas de monitoreo ambiental. La Tabla 1-8 recoge los indicadores tomados en consideración por esta investigación. Tabla 1-8. Indicadores establecidos durante el proceso de selección de sensores. Indicador Descripción Rango de Medición Se verificó que los sensores pueden medir correctamente en el rango esperado para las concentraciones de contaminantes presentes en el ambiente. Límites de Detección Se comprobó el límite mínimo de concentración que un sensor puede detectar, lo cual es importante para la detección temprana de contaminantes en concentraciones bajas. Calibración Se construyeron múltiples modelos de regresión lineal para la calibración de los sensores de bajo costo involucrados. Evaluación a Largo Plazo Los sensores fueron evaluados durante un período de 4 a 8 meses en un entorno urbano. Escalabilidad y Usabilidad Los sensores de bajo costo mostraron su capacidad para realizar mediciones locales de calidad a gran escala y su adaptabilidad a diversas ubicaciones y condiciones ambientales La interpretación de datos provenientes de sensores es esencial en diversas aplicaciones como el monitoreo ambiental. Algunas estrategias generales para interpretar de Avances y tendencias en el empleo de registradores de datos de bajo costo 25 manera eficaz los datos son mencionadas seguidamente. Familiarizarse con el entorno y el propósito de los sensores, además de comprender el contexto en el que se recopilan los datos, es crucial para una interpretación precisa. La Tabla 1‑9 presenta los indicadores utilizados en la recolección y análisis de datos por este sistema de monitoreo, mostrando métricas que permiten evaluar objetivamente el desempeño del registrador y constituyendo elementos fundamentales que orientan la aplicación sistemática de Indicadores Clave de Rendimiento (ICR) en el proceso de diseño. Tabla 1-9. Indicadores implicados en el análisis y validación de los datos obtenidos. Indicador Descripción Coeficiente de Determinación R2 Un R2 más cercano a 1 indica una mayor precisión en las mediciones del sensor en comparación con la estación de referencia. Sensor de Partículas (SPS30 PM1/PM2.5): R² de 0,96–0,97 para PM1 y 0,90–0,94 para PM2.5 Error Cuadrático Medio (RMSE) Se mide la diferencia entre los valores observados y los valores predichos. Un RMSE bajo indica una alta precisión en las mediciones del sensor. Sensor de Partículas (SPS30 PM1/PM2.5): RMSE de 0,77–1,07 µg/m³ para PM1 y 1,27– 1,96 µg/m³ para PM2.5. Periodo de Registro El periodo de registro para este registrador de datos estuvo condicionado por una dinámica lenta, presente en las variables relacionadas con la calidad del aire. Este fue de 15 minutos. Significado de los datos Los datos proporcionados muestran niveles de presentación altos. La mayoría de estos son expuestos en forma de gráficas y mapas. Figura 1-4. Arquitectura de hardware de [80] para monitoreo de calidad del aire. Avances y tendencias en el empleo de registradores de datos de bajo costo 26 Fortalezas detectadas durante el análisis de la propuesta 1- Accesibilidad y costo efectivo: El artículo destaca el desarrollo de sistemas de monitoreo compuestos por sensores de bajo costo, lo que permite una mayor densidad de puntos de medición a un costo aproximado de 320 € solo en sensores. Esto representa una notable diferencia en comparación con otros sistemas semiprofesionales como Libellium [81] con precios superiores a los 3000 euros. 2- Mediciones en tiempo real: Este sistema de monitoreo de la calidad del aire incorpora módulos de comunicación inalámbrica basados en el chip Gyp board lo que permite transmitir datos en tiempo real y obtener una respuesta rápida ante eventos de contaminación. 3- Validación y confiabilidad: El estudio valida los datos de los sensores de bajo costo comparándolos con las estaciones de monitoreo de calidad del aire de la red regional. Para los sensores DGS-O3 y SPS30 se obtienen coeficientes de correlación superiores a 0,70 en ambos casos. El uso de métodos avanzados para filtrar datos atípicos y no viables asegura una adecuada precisión de las mediciones. Limitaciones 1- Limitaciones tecnológicas: Las campañas de monitoreo realizadas en esta investigación demostraron que el uso de sensores de bajo costo como el DGS-NO2 y el DGS-CO no brindan información útil en aplicaciones de monitoreo de calidad del aire. Los coeficientes de correlación obtenidos a partir de una comparación con estaciones de referencia mostraron resultados negativos o muy cercanos a cero, lo que demuestra que son incapaces de medir el gas objetivo o solo generan ruido en la medición. 2- Análisis de datos: Los datos recogidos por los sensores de bajo costo de la serie DGO- O3 muestran una amplia variabilidad en los resultados obtenidos para el mismo modelo de sensor. Esta inconveniente dificulta generar un modelo de calibración uniforme para todos los sensores del mismo modelo. En resumen, el análisis efectuado permite realizar una adecuada selección de sensores basados en los datos de correlación arrojados por los mismos. Los métodos de calibración basados en técnicas de Regresión Lineal Múltiple demuestran su eficacia al obtener coeficientes de correlación superiores a 0,7 para el sensor DGO-O3 y 0,95 para el sensor Avances y tendencias en el empleo de registradores de datos de bajo costo 27 SPS30. Sin embargo, esta investigación no hace referencia a ningún método de diseño para la construcción del registrador de datos que permita evaluar su desempeño ante condiciones climáticas adversas durante prolongados periodos de tiempo. De igual manera no se menciona ninguna prueba realizada al software de código abierto empleado para la toma de las mediciones. Por lo que es imposible predecir su comportamiento durante las pruebas de campo realizadas. Caso de estudio 4. Uso de sistemas embebidos en sistemas de monitoreo de calidad del aire Los investigadores de la Facultad de Automática y Ciencias de la Computación de la Universidad Politécnica de Timisoara, Rumanía [82] proponen el diseño de un nodo sensor para el monitoreo de contaminantes presentes en el aire. El nodo sensor está integrado por un conjunto de sensores de mediana precisión (Figura 1-5). El mismo es colocado en un vehículo que se estará moviendo por la ciudad e intercambiando información con otros vehículos. Este mecanismo es conocido como VSN y su despliegue en flotas de transporte puede lograr amplio cubrimiento geográfico en poco tiempo. Esta investigación no revela en su desarrollo un método de diseño estructurado en la implementación de su sistema de monitoreo. Sin embargo, un conjunto de objetivos fue tomado en cuenta en la construcción del mismo. Entre estos se deben citar el empleo de una arquitectura modular que integra múltiples sensores para dar cobertura a distintos contaminantes del aire. El enfoque basado en seguridad y privacidad de los datos estuvo enfocado en técnicas de cadena de bloques (blockchain). Por último, el diseño de hardware fue validado experimentalmente mediante pruebas de rendimiento computacional, así como evaluando la precisión de las mediciones en entornos reales. Las características mencionadas constituyen elementos clave que describen el correcto funcionamiento del registrador, sirviendo como referencia para evaluar su desempeño. Aunque no se menciona explícitamente el uso de la ingeniería de software como disciplina formal, varios aspectos del diseño y la implementación sugieren que los autores aplicaron principios básicos para garantizar un desarrollo funcional. Los ICR reflejan aspectos críticos del diseño y operación del dispositivo, incluso si no fueron identificados explícitamente en el artículo. Basándose en los datos y objetivos Avances y tendencias en el empleo de registradores de datos de bajo costo 28 descritos en la investigación, la Tabla 1-10 muestra los indicadores derivados del diseño y evaluación del dispositivo: Tabla 1-10. Indicadores aplicados al diseño de registrador de datos desarrollado. Indicador Descripción Prestaciones del hardware de cómputo Se selecciona el microcontrolador AT91SAM3X8E (Arduino Due) encargado del manejo de sensores y subida de datos a la nube. Arquitectura ARM Cortex-M3 con 84 MHz de frecuencia de reloj. Número de interfaces de comunicación soportadas: Este microcontrolador (Figura 1-5) posee interfaces de comunicación digitales como analógicas (I2C, SPI, UART, Analógica, Digital). Rendimiento Computacional Se evaluaron los requisitos computacionales de los protocolos de criptografía basados en curvas elípticas y firmas de grupo computándose un tiempo de 132,55 ms. Consumo Energético del Módulo El consumo de corriente promedio del sistema es de 331 mA. La batería empleada posee 10400 mAh, lo que indica que el sistema cuenta aproximadamente con 31 h de autonomía. Figura 1-5. Nodo sensor para sistema de monitoreo de contaminantes del aire [82]. Estos indicadores están fundamentados en aspectos técnicos y operativos mencionados en el artículo, reflejando métricas prácticas para evaluar el desempeño del dispositivo en escenarios reales. En el caso del uso de sensores de bajo costo, estos indicadores permiten medir objetivamente su funcionamiento y factibilidad de uso en sistemas de monitoreo. Algunos aspectos como tiempo de respuesta y viabilidad de empleo son tratados en la Tabla 1‑11. Avances y tendencias en el empleo de registradores de datos de bajo costo 29 Tabla 1-11. Métricas analizadas durante el proceso de selección de sensores. Indicador Descripción Tiempo de respuesta Tiempo promedio necesario para que un sensor detecte y reporte cambios significativos en los niveles de contaminación (segundos). Rango de Medición Rango de concentraciones que el sensor puede medir con precisión, ppm (partes por millón) para el CO2 y ppb (partes por billón) para los compuestos orgánicos volátiles. Costo por Unidad Costo promedio por sensor en relación con su desempeño y características. Todos estos en el rango entre 1- 100 USD. La implementación de Indicadores Clave de Rendimiento en el monitoreo ambiental es crucial para validar la calidad de los datos recopilados, aunque estos no sean mencionados de manera explícita. Este enfoque sistemático no solo mejora la confianza en los resultados, sino que también facilita la identificación y corrección de desviaciones en el rendimiento del sistema de monitoreo. La Tabla 1-12 expone las métricas seguidas por esta investigación. Tabla 1-12. Métricas evaluadas durante el proceso de selección de sensores. Indicador Descripción Latencia en la Disponibilidad de Datos Los datos son transmitidos mediante un túnel seguro hacia un servidor remoto cada 10 segundos. Tasa de Autenticación de Datos Se emplean firmas de grupo para garantizar la autenticidad de los datos sin comprometer la privacidad del usuario. Almacenamiento e Integridad de Datos Se emplea una base de datos relacional denominada MariaDB [83] para el almacenamiento de datos y se utiliza la estructura blockchain para garantizar la inmutabilidad de los datos. Fortalezas detectadas durante el análisis de la investigación: 1- Integración de múltiples sensores: El sistema incluye varios sensores para medir diferentes contaminantes del aire, lo que proporciona una visión integral de la calidad del aire en tiempo real. 2- Comunicación y transmisión: El sistema utiliza tecnología de comunicación móvil basada en el módulo SIM5320E (3G + GPS) para transmitir datos a una plataforma central. Los datos son procesados y analizados en tiempo real para proporcionar información precisa sobre la calidad del aire. 3- Seguridad de datos: Se implementan robustas medidas de seguridad, como cifrado y autenticación, para proteger los datos transmitidos, asegurando la integridad y confidencialidad de la información recolectada. Avances y tendencias en el empleo de registradores de datos de bajo costo 30 4- Portabilidad: El diseño compacto y portátil del módulo facilita su despliegue en diversas ubicaciones, permitiendo una monitorización distribuida y flexible. Limitaciones: 1- Falta de un método estandarizado: El artículo carece de un método de diseño detallado y estandarizado. No se especifican los pasos sistemáticos para el desarrollo e integración de los componentes del sistema, lo que puede dificultar la replicación y adaptación del diseño en diferentes contextos. 2- Calibración de sensores: Aunque se menciona la inclusión de múltiples sensores, no se detallan los procedimientos de calibración necesarios para asegurar la precisión y fiabilidad de las mediciones en diversas condiciones ambientales. 3- Limitaciones en la durabilidad: La durabilidad de los sensores en condiciones extremas no se aborda en profundidad, lo que plantea interrogantes sobre la robustez del sistema en aplicaciones a largo plazo y en entornos adversos. En conclusión, mientras que el diseño del sistema de monitoreo propuesto ofrece soluciones innovadoras para la vigilancia de la calidad del aire, la falta de un método de diseño definido y la insuficiente atención a la calibración y durabilidad de los sensores representan limitaciones significativas que podrían afectar su eficacia y aplicabilidad en entornos reales. Caso de estudio 5. Tecnología de código abierto y su impacto en la monitorización ambiental Los investigadores de la Universidad Pública King’s College en Londres [75] muestran el uso de sensores electrónicos de bajo costo en la investigación ambiental, destacando tanto las ventajas como los desafíos de su implementación. El