internet de las cosas y su aplicación en el monitoreo de la calidad del aire en espacios cerrados

Guía para documentar el Trabajo de Ingreso

INTERNET DE LAS COSAS Y SU APLICACIÓN

EN EL MONITOREO DE LA CALIDAD DEL AIRE

EN ESPACIOS CERRADOS.

Especialidad: SISTEMAS COMPUTACIONALES

Subespecialidad: ______________________________

Gran Reto de la Ingeniería Mexicana: Infraestructura,

transporte y ciudades

Amadeo José Argüelles Cruz

Dr. en Ciencias de la Computación

Título del Trabajo de Ingreso

Especialidad: XXXXXXXXXXXXXXXX, Subespecialidad XXXXXXXXXXXX,

Gran Reto de la Ingeniería Mexicana: XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

,2

Fecha de ingreso (día, mes, año)

Ciudad de México, Distrito Federal




,3

Contenido

RESUMEN EJECUTIVO 5

RESUMEN EJECUTIVO (INGLÉS) 6

OBJETIVO 7

ALCANCE 8

1. INTRODUCCION 9

2. CIUDADES INTELIGENTES Y EL INTERNET DE LAS COSAS 11 2.1 CIUDADES INTELIGENTES. 11 2.2 FACTORES DE CONSIDERACIÓN EN EL USO DEL INTERNET DE LAS

COSAS 12 2.3 ARQUITECTURAS DEL INTERNET DE LAS COSAS 14 2.4 CRITERIOS DE SELECCIÓN DE LA ARQUITECTURA DEL IOT 17 2.5 ARQUITECTURA EMPLEADA: PUERTAS DE ENLACE. 18

3. CONTAMINACION DEL AIRE 20 3.1 CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA Y MICROCLIMAS 20 3.2 ORGANIZACIÓN PANAMERICANA DE LA SALUD 21 3.3 ESTUDIOS REALIZADOS EN MÉXICO SOBRE EL PROBLEMA DE LA

CONTAMINACIÓN 21 3.4 NORMATIVIDAD 22 3.5 ORGANIZACIONES NACIONALES 23

4. EFECTOS DEL OZONO Y EL DIOXIDO DE NITROGENO TROPOSFERICO SOBRE LA SALUD HUMANA. 25

4.1 ¿DE DÓNDE PROVIENEN LOS CONTAMINANTES DEL AIRE? 25 4.2 INVERSIÓN TÉRMICA 26 4.3 OZONO O₃ 27

4.3.1 Efectos del ozono en la salud 28 4.4 DIÓXIDO DE NITRÓGENO NO₂ 31 4.4.1 TIPOS DE EMISIONES 31 4.4.2 EFECTOS POTENCIALES EN LA SALUD 32 4.4.2.1 INHALACIÓN 33 4.4.2.2 CONTACTO CON LA PIEL 33 4.4.2.3 INGESTA 33 4.4.2.4 CONTACTO OCULAR 33




,4

4.4.2.5 SISTEMA CARDIOVASCULAR 33 4.4.2.6 GRADOS DE CONSECUENCIA 33

5. SISTEMA DE MONITOREO DE CONTAMINANTES ATMOSFERICOS EN ENTORNOS DELIMITADOS 36

5.1 INSTALACIONES EMPLEADAS EN LA MEDICIÓN DE CONTAMINANTES 36

6. CONCLUSIONES 38

REFERENCIAS 42




,5

RESUMEN EJECUTIVO

La sociedad del conocimiento es asociada con el empleo de la información para la toma de

decisiones. Las consecuencias de utilizar al internet de las cosas para conocer y resolver los

problemas derivados de la actividad humana en las ciudades inteligentes, genera la sinergía

que redunda en mejores condiciones de bienestar. El trabajo que se muestra aborda el

estudio de sugerencias a considerar para la planeación y puesta en marcha de la arquitectura

que hace posible monitorear contaminantes atmosféricos (sensores, sistemas orientados a a

la aplicación y el propósito y comunicación inalámbrica), en espacios de trabajo ubicados

en lugares cerrados y cercanos a edificación. También se presentan algunas pruebas

realizadas con sensores en los espacios en los que fueron ubicados y que proporcionan

lecturas que se emplean para identificar riesgos y tomar las medidas pertinentes con base en

la Norma Oficial Mexica na para contaminantes del aire, empleada para regular las

concentraciones permitidas de ozono, monoxido de carbono y dióxido de nitrogeno.

Palabras clave: Internet de las cosas, ciudades inteligentes, sistemas embebidos, sensores,

medio ambiente, cambio climático, desarrollo sostenible, sustentabilidad ambiental.




,6

RESUMEN EJECUTIVO (Inglés)

The knowledge society has aspects that identify it with the use of information for decision-

making. The consequences of using the Internet of Things to solve the problems arising

from human activity in smart cities, can lead to better health and wellness. The work shown

on this occasion, presents the elements to be considered for the planning and

implementation of the architecture that supports technological application, that incorporates

the elements making possible to monitor atmospheric pollutants (sensors, embedded

systems, and wireless communication) in workspaces located in enclosed building and near

places. Some tests were made with sensors in spaces where they were located and provide

readings that can be used to identify risks and take appropriate action based on the Mexican

Official Standard for air pollutants, used to regulate the permitted concentrations of ozone,

carbon monoxide and nitrogen dioxide gasses.




,7

Objetivo

El presente trabajo multidisciplinario tiene como objetivo mostrar el empleo de la

tecnología del internet de las cosas para la determinación de la calidad del aire en espacios

cerrados. Mediante la incorporación y el apoyo de diversas áreas del conocimiento, como

las ciencias de la computación, las telecomunicaciones, la ingeniería, el medio ambiente, la

planeación, la economía, entre otras, se crea una dinámica que busca resolver las

necesidades de conocimiento para la toma de decisiones que sirva para conseguir mejores

oportunidades y mejor calidad de vida de los habitantes de las grandes ciudades, y en

específico de la Ciudad de México, lugar de realización del estudio del caso.




,8

Alcance

La práctica de la investigación cientifica realizada con los temas que se abordan en este

trabajo como lo son el internet de las cosas, las ciudades inteligentes y la contaminación

ambiental permite la obtención de una arquitectura funcional para comunicar la calidad del

aire en espacios confinados a la actividad humana, en específico a la desarrollada dentro de

un área de estudio.




,9

1. INTRODUCCION

De acuerdo con la División de Población del Departamento de asuntos económicos y

sociales de la Secretaría de las Naciones Unidas, la población mundial se sitúa en los 7,3

mil millones de personas y se proyecta para aumentar a 8,5 mil millones en 2030 (United

Nations, 2014).

En 1950, el 30% de la población mundial era urbana, y para el 2050 se proyecta que la cifra

alcance el 66%. El cambio demográfico y social observado indica que la urbanización

seguirá creciendo y que la población urbana va creciendo más rápido, dando lugar a las

mega ciudades: las ciudades con una población superior a 10 millones. El número de mega

ciudades crecerá de 28 a 41 en el 2030 (Figura 1).

Figura 1. Desarrollo urbano reportado por la División de Población del Departamento de

Economía

La situación que se menciona pone de manifiesto que la tendencia de crecimiento de las

mega ciudades trae consigo una serie de retos por resolver en el suministro de servicios

(agua, energía, seguridad, manejo de residuos, medio ambiente, entre otros), que deben ser

tratados para asegurar el desarrollo sostenible y la sustentabilidad del ecosistema global

(Naciones Unidas, 2012).

Al respecto, la Organización de las Naciones Unidas ha establecido que el uso eficiente de

la energía y el medio ambiente es un asunto indispensable para el desarrollo humano

sostenible. Asegurar la sustentabilidad ambiental y el acceso a los servicios energéticos es

clave para alcanzar los Objetivos de Desarrollo del Milenio (ODM). El reporte que emana

de los ODM indica que se proyecta un aumento continuo de las emisiones de gases de

efecto invernadero, causando cambios perdurables en el clima del planeta, lo que representa

una amenaza de consecuencias graves para los ecosistemas y las personas. Las afectaciones

incluyen ecosistemas y hábitats alterados, impactos perjudiciales a la agricultura que

tendrán como consecuencia escases de alimentos, fenómenos meteorológicos atípicos y de




,10

larga duración, con todas las implicaciones de riesgo social que deriven de ello (Naciones

Unidas, 2015; UN-Habitat, 2014).

Los datos recopilados en el curso de dos decadas muestran que el aumento de las emisiones

globales de dioxido de carbono se ha acelerado, elevandose en un 10% en el periodo de

1990 a 2000 y en un 38% en el periodo 2000-2012, debido en gran medida al crecimiento

en las regiones en desarrollo.

Abordar el aumento sin precedentes de las emisiones de gases de efecto invernadero y los

posibles impactos resultantes en el cambio climatico, continua siendo un desafio urgente y

critico para la comunidad global. En la conferencia de la Convencion Marco de las

Naciones Unidas sobre el Cambio Climatico en Paris, en diciembre de 2015, los países

participantes lograron por consenso un pacto global, el Acuerdo de París, para reducir las

emisiones como parte del método para la reducción de gases de efecto invernadero. En el

documento de 27 páginas los miembros acordaron reducir sus emisiones de carbono "lo

antes posible" y hacer todo lo posible para mantener el calentamiento global "muy por

debajo de 2 grados centígrados (United Nations, 2015).

Con el propósito de coadyuvar en los esfuerzos por atender los ODM, en particular el

Objetivo 7: Garantizar la sostenibilidad del medio ambiente, incorporando formas

novedosas de aplicación y mejora de servicios, empleando el internet de las cosas (IoT de

sus siglas en inglés: Internet of Things); este documento presenta el empleo de sistemas

orientados a la aplicación y el propósito, que son el núcleo de procesamiento encontrado en

la mayoría de los objetos IoT, que producen la información generada por un conjunto de

sensores que capturan los niveles de gases presentes en áreas restringidas, en específico un

espacio destinado a las actividades de docencia e investigación del Centro de Investigación

en Computación. En la siguiente sección se abordarán las condiciones en las que se

encuentra operando el sistema de monitoreo denominado “Yacatl”, que en nahuatl significa

nariz, que hace alusión a estar “olfateando el aire” para identificar la presencia de

contaminantes atmosféricos.




,11

2. CIUDADES INTELIGENTES Y EL INTERNET DE LAS COSAS

2.1 Ciudades Inteligentes.

Una ciudad inteligente se define como aquella que emplea las tecnologías de la información

y la comunicación (TIC) para mejorar la calidad de vida, la sostenibilidad y su

funcionamiento. En el marco de las ciudades inteligentes se presenta la relación entre las

responsabilidades de la ciudad (lo que debe llevarse a cabo para los ciudadanos) y sus

activadores (las tecnologías inteligentes empleadas para facilitar estas tareas). La Figura 2

indica algunas de las responsabilidades que desafían diariamente a las grandes ciudades,

municipios y territorios con un número importante de habitantes. Los activadores que se

utilizan en las tareas de atención a las responsabilidades son la instrumentación y control, la

conectividad, interoperabilidad, administración de datos, recursos de cómputo, analíticas,

seguridad y privacidad.

Figura 2. Responsabilidades por cubrir en las ciudades inteligentes.

El empleo de los datos masivos, que tiene como una de las fuentes de origen el internet de

las cosas (IoT de sus siglas en inglés: Internet of Things) (figura 3), contribuye a resolver

muchos de los retos en materia de seguridad, salud, educación, movilidad, energía, medio

ambiente, entre otros que se encuentran en las grandes ciudades que buscan convertirse en

ciudades inteligentes. Los proyectos que involucran a la tecnologías de la información y la

comunicación mencionadas, deben tener como esencia crear las condiciones en las que los

ciudadanos de las ciudades, municipios o de los territorios con asentamientos humanos

importantes, encuentren mejores servicios, mejores oportunidades de desarrollo y un

bienestar general(Piro, Cianci, Grieco, Boggia, & Camarda, 2014).




,12

Figura 3. Estructura de conexión entre cosas, datos, procesos y cultura.

2.2 Factores de consideración en el uso del internet de las cosas

De acuerdo con estudios realizados por Gartner, empresa consultora y de investigación de

las tecnologías de la información, se observa un incremento en el número de proyectos que

incorporan elementos del IoT a nivel global (Cecci & Kumar, 2016). Esta proliferación de

proyectos tiene cuatro ejes principales:

Resolver problemas que anteriormente parecían intratables en algunos casos.

Proporcionar formas novedosas de mejorar los servicios y las experiencias a los

ciudadanos.

Proporcionar nuevas formas de proveer de manera rentable los servicios existentes

ofrecidos por los departamentos de la ciudad.

Encontrar los requerimientos apropiados para infraestructura y tecnología utilizada

por las instituciones de gobierno.

El despliegue de IoT generará grandes cantidades de datos que deben incorporarse a

procesos de información, workflow y a la cultura operativa de los distintos departamentos

que operan en las ciudades, municipios o territorios. Este hecho es crítico, ya que esos

departamentos podrían utilizar las bondades que ofrece el análisis de datos masivos para

mejorar sus operaciones. Las mejoras pueden incluir la reducción del costo de

mantenimiento de la infraestructura o incorporar valor mediante la adquisición y el uso de

nuevas tecnologías para control de tránsito en tiempo real o servicios de información de

estacionamientos públicos con parquímetros.

El factor humano es otro componente a considerar en la aplicación de las nuevas

tecnologías de la información y la comunicación, quizá el más importante. Adoptar

tecnologías con las que el equipo de trabajo presente en los departamentos no se encuentra

familiarizado o para las que no tiene un entrenamiento, puede incidir en el impacto en el

retorno de inversión que los proyectos que emplean IoT pueden ofrecer. Se deben evitar

posibles escenarios como el de subutilizar los equipos cuando no existe un enlace o

alineación con los requerimientos de un departamento en particular o de un grupo de

departamentos conectados en sus procesos.




,13

Algunos factores clave que se presentan en la incorporación del IoT para el suministro de

servicios en las ciudades son:

Ciudadanos. El factor más importante es el de cumplir con las expectativas que los

ciudadanos esperan de los servicios proporcionados en las ciudades, municipios o

territorios que adoptan proyectos que incorporan sistemas con IoT. La influencia del uso de

la tecnología y de elementos como lo son los teléfonos inteligentes por los ciudadanos en

cada localidad, pueden empujar a los gobiernos a un cambio acelerado. No hacerlo puede

elevar los niveles de insatisfacción que son importantes para la función pública y buen

gobierno.

Modos de pensar. Las barreras culturales no apoyan nuevos entornos de servicios

interactivos, apoyados por los datos masivos generados por los sistemas con IoT. Es

importante que exista una intensa participación e integración de los departamentos para

maximizar los logros y el impacto esperado.

Abastecimiento de las habilidades prácticas. Se debe considerar el grado de dependencia

que los departamentos pueden tener respecto de los proveedores de sistemas de IoT, debido

a que se puede presentar un retraso en la adopción e implementación de dichos sistemas por

parte de los empleados del departamento en cuestión. Esto es porque no se tienen los

conocimientos, aptitudes y habilidades para comprender, utilizar y obtener los beneficios o

mejoras que ofrecen las nuevas soluciones presentes en los sistemas. Esto pone en relieve la

necesidad de actualizar los conocimientos tecnológicos a nivel ejecutivo y del personal. Al

respecto, es importante realizar un inventario y una evaluación de habilidades del personal,

para los equipos y operaciones de TI, que servirán para el desarrollo de la planeación de las

actividades de educación y entrenamiento necesarias para embarcarse en proyectos de TI.

Restricciones presupuestarias. Algunas iniciativas en el uso del IoT podrían estar

descapitalizadas o tener piezas de la base (capacitación del personal) sin financiamiento.

Esto puede ocasionar que los proyectos del IoT no entreguen todos los beneficios ni el

potencial declarados, que justifique el análisis del retorno de inversión original.

Gobierno. El departamento de finanzas y los equipos de liderazgo de TI deben garantizar

el alineamiento de los objetivos durante todo el proceso de la gobernanza. Esto asegurará

de que la priorización de las inversiones y el proyecto del presupuesto reflejen una

comprensión matizada de lo que ambos deben ser responsables de ofrecer y aprovechar el

IoT para mejorar la atención al ciudadano.

Entorno socio-económico. Este factor también entra en juego para implementar el IoT. Por

ejemplo, las ciudades con amplios recursos pueden contar con proyectos que podrían ser

más agresivos en su impacto y tener una escala más amplia. Las ciudades desarrolladas

pueden implementar proyectos que se alinean a través de múltiples departamentos de la

ciudad, dependiendo de su capacidad instalada en recursos y en empleados. Mientras que

una ciudad con menos recursos o menos fondos sólo puede ser capaz de implementar

soluciones limitadas dentro de un departamento específico de la ciudad. Así una ciudad




,14

desarrollada probablemente podría administrar una implementación a gran escala después

de que el piloto ha sido dirigido, y una ciudad subdesarrollada, deberá continuar ejecutando

las implementaciones limitadas.

2.3 Arquitecturas del internet de las cosas

El desarrollo de la tecnología de la información y la comunicación está conduciendo a un

proceso de generación de datos masivos, al punto de que se estima una producción cercana

a los 2.5 Quintillones de bytes de datos diarios. Al trascurrir del tiempo, la tasa de

producción de datos sigue en aumento (volumen de datos en crecimiento), y tiene como

principal característica el encontrarse en un 90% sin estructurar, ya que proviene de fuentes

que no están seleccionadas ni organizadas de acuerdo con estándares o que se encuentran

en bancos de datos con diversos formatos (variedad en los tipos de datos). La velocidad en

la que la información se genera y se procesa depende del tipo de proceso y el análisis a

realizar sobre los datos.

Existen cinco arquitecturas con las que se pueden realizar la implementación o adaptación

del IoT, a saber:

Centradas en las cosas. Las cosas son inteligentes por su propia cuenta y

almacenan una cantidad importante de sus datos sobre la electrónica que las

conforma. Son autosuficientes y se comunican hacia el internet únicamente para el

análisis y la coordinación centralizada.

Centradas en puertas de enlace. La puerta de enlace alberga la lógica de la

aplicación, almacena los datos y se comunica con el Internet de las cosas que están

conectados a él. Las cosas no tienen que ser tan inteligentes, porque la puerta de

entrada proporciona estos recursos.

Centradas en el teléfono inteligente. El “smartphone” o telefono inteligente (o

cualquier dispositivo móvil) alberga la lógica de la aplicación, almacena los datos y

se comunica con el Internet de las cosas que están conectados a él. Las cosas no

tienen que ser tan inteligentes, porque el smartphone ofrece estos recursos.

Centradas en la nube. La nube actúa como el eje central de conexión,

almacenamiento de datos y el poder analítico. Las cosas no tienen que ser tan

inteligentes, ya que la nube proporcionará estos recursos.

Centrada en la empresa. En este caso las cosas se encuentran detrás de un

cortafuegos (firewall) y se encuentran colocadas geográficamente. Es poca la

necesidad de extender su alcance hacia el Internet externo.

Se puede realizar una combinación de las arquitecturas antes descritas de acuerdo con las

necesidades de la aplicación y los recursos disponibles; y con base en la dinámica del

cambio, pueden generarse estructuras diferentes. Las arquitecturas IoT virtualizan recursos

de extremo a extremo y unifican abstracciones. El objetivo de una arquitectura moderna del

IoT será eliminar la segregación tecnológica generada por la nube, las puertas de enlace y

las cosas y abstraer el cómputo, almacenamiento e interconexión de extremo a extremo.




,15

Se debe estar preparado para los cambios en la arquitectura que se requiera, manteniendo la

flexibilidad que permita sortear condiciones adversas, administrar costos, disminuir riesgos

y mantener o incrementar el desempeño.

Figura 4. Arquitectura de alto nivel para el IoT

Al llevar a cabo el análisis de las arquitecturas anteriormente descritas, se podría llegar a la

conclusión de que el IoT implica su inclusión en vehículos, máquinas, construcciones, y

bienes de consumo que se encuentran conectados de manera permanente a la nube, pero

esto no siempre opera así. Si consideramos dispositivos electrónicos de vestir, como los

empleados en dar seguimiento a la actividad física en forma de prendas y complementos

que se incorporan en alguna parte de nuestro cuerpo, ¿Dónde ubicaríamos su capacidad

lógica y de cómputo? Por el momento, ésta no se encuentra incorporada en su diseño,

quedando ubicado en dispositivos móviles como el teléfono celular que requiere de una

aplicación que se utiliza para solicitar al dispositivo una comunicación que transfiera el

registro de las actividades físicas y la “inteligencia” para realizar determinadas métricas y

tratar la información del individuo para mostrar indicadores de desempeño físico en la

pantalla del dispositivo móvil, compartir su desempeño en el internet empleando redes

sociales o que se suba a la nube para algún otro fin. Esta característica de la funcionalidad

revisada en un dispositivo electrónico de vestir muestra un ejemplo de que la arquitectura

del IoT puede estructurarse de diversas maneras, mostrando la flexibilidad descrita

anteriormente y de acuerdo con las necesidades particulares de la aplicación, los recursos

económicos disponibles, la capacidad de almacenamiento instalada o el análisis de los datos

requerido.




,16

a)

b)

c)

Figura 3. Dispositivos electrónicos de vestir empleados en el seguimiento, registro y

transmisión de la actividad física (reloj) y del seguimiento de la calidad de sueño (pulsera),

b) aplicación con información de seguimiento presente en el teléfono inteligente y c)

aplicación en la nube con información de seguimiento vía satélite de la actividad física

registrada y transferida a un repositorio de datos.

Una forma de implementar las arquitecturas descritas es la siguiente:

1. Encontrar la arquitectura que se ajusta al caso de uso. Emplear la información

mostrada en la sección Identificación de la arquitectura del IoT. Se espera que

existan diferentes variantes con distintos requerimientos incluso dentro del mismo

caso de uso.

2. Diseñar la arquitectura del IoT con la utilización de diferentes combinaciones de

componentes y sus distintos roles, desde los simples hasta los que son críticos en la

operación. No existen arquitecturas genéricas que cubran todas las aplicaciones de

IoT.

3. Revisar las tecnologías emergentes para considerar las ventajas y desventajas de la

arquitectura empleada. Los costos de tecnologías de almacenamiento,

procesamiento y comunicaciones son por lo común un punto importante de revisión;

esto porque la tecnología muestra de manera sostenida un incremento en las

capacidades de operación y en su desempeño, lo que puede representar un valor




,17

agregado si es que son relevantes para el funcionamiento eficiente de la

arquitectura del IoT.

2.4 Criterios de selección de la arquitectura del IoT

Con la intención de evaluar de manera apropiada el rol de la arquitectura del IoT, que

proporcione los resultados esperados, se presenta el siguiente criterio.

La elección de los componentes que formarán parte de la arquitectura que se utilizará para

el IoT no tiene una formula definida ni tampoco es una tarea sencilla, esto debido a que se

deben revisar las ventajas y desventajas de su implementación. En algunos casos se

presenta que el empleo de la nube permite la reducción de costos y la complejidad, mientras

que en otros no es conveniente su utilización debido a que la seguridad es un factor clave

en el desempeño de la arquitectura.

Figura 5. Criterios de selección para la conformación de la arquitectura.

Los costos considerados en la conformación de la arquitectura incluyen el hardware, el

software y el almacenamiento de los datos, así como el costo asociado a la comunicación.

En el caso de procesar grandes volúmenes de información, se deben considerar gastos como

lo son el procesamiento en la nube y las licencias de software. También es importante

considerar los costos de la conectividad en los casos en que se requiera del uso de enlaces

de datos 2G/3G/4G suministrados por de los operadores de redes de telefonía celular.

La arquitectura debe manejar de manera correcta los requerimientos y la administración de

la energía. Se deben emplear todas las estrategias de reducción de consumo de energía,

como por ejemplo el uso del modo de suspensión y el empleo eficiente de la función de

comunicación de datos inalámbrica.




,18

El ancho de banda empleado en la arquitectura debe también ser empleado de manera

racional. El empleo de las puertas de enlace para procesamiento de un flujo continuo de

datos (streaming) puede apoyar en evitar el empleo de la nube y el agotar el ancho de

banda.

En algunos dispositivos empleados en sistemas de transporte y vehículos autónomos no se

requiere la conexión permanente con la nube, haciendo que la conexión intermitente tenga

sentido. El procesamiento de la información puede ser delegado a las cosas.

Para el caso de los procesos que requieren de operaciones en tiempo real y que son críticos

en el lograr su misión a tiempo, como por ejemplo la manufactura y los sistemas de control

industrial SCADA, se precisa de una operación con baja latencia y no puede esperar a

enviar los datos a la nube, procesarlos y reconocerlos. El procesamiento debe ser turnado a

las puertas de enlace.

Respecto de la conectividad y los requerimientos, en el caso de la confiabilidad y la calidad

en el servicio, es importante señalar que si los tiempos de respuesta y la confiabilidad son

críticos en la operación de la arquitectura, entonces se debe elegir aquella que soporte esas

demandas. Una arquitectura local por ejemplo puede mantener las cosas internas y permitir

un control máximo para la gestión y el cumplimiento de estándares.

Cuando se realiza un acercamiento de las aplicaciones o de las analíticas a las cosas, esto

genera una respuesta y un rendimiento en tiempo real apropiado. En general una respuesta

en tiempo real se beneficia de una proximidad física para reducir la latencia.

Se debe considerar las arquitecturas del IoT, en conjunto con los componentes, que puedan

operar con las limitaciones que la distancia y las restricciones físicas imponen. Pueden

darse casos donde las cosas estén muy retiradas o el entorno no beneficie a la comunicación

inalámbrica y esto puede perjudicar a la conexión.

Si las cosas requieren de una conexión permanente al internet, es conveniente revisar que la

velocidad y la calidad en la conexión no se vean comprometidas. Se debe considerar las

condiciones físicas de la ubicación y las mediciones de rigor para lograr la correcta

operación de la arquitectura.

2.5 Arquitectura empleada: puertas de enlace.

Para el caso que aborda el siguiente trabajo, se emplea la arquitectura centrada en puertas

de enlace, la que se detalla a continuación.

Una característica importante que marca la diferencia del IoT con respecto al mundo del

internet de los dispositivos móviles y las computadoras personales (PCs) es que a menudo

existen puntos de acceso que agrupan varias cosas antes de transmitir datos hacia el

internet o la red celular. Cómo ejemplo podemos citar la operación de un conjunto de




,19

lámparas de iluminación peatonal que pueden comunicarse de forma local entre sí mediante

una red de malla, y emplear la puerta de enlace como el portal de comunicación hacia la

red celular.

En una arquitectura centrada en la puerta de enlace se requiere que la mayoría de los

recursos (aplicaciones, interfaces, almacenamiento y analíticas) se concentren en la puerta

de enlace. En el caso de los sensores que se emplean para realizar las mediciones de los

gases en el interior (áreas de trabajo) y exterior del edificio, los datos pueden ser

almacenados y administrados en la puerta de enlace. Las “cosas” pueden no presentar una

interfaz de usuario y la puerta de enlace puede asumir el rol de mostrar información

relevante. En esencia, la puerta de enlace ejecuta las operaciones lógicas y analíticas sobre

los datos, además de almacenarlos. Las “cosas” conectadas a la puerta de enlace pueden

realizar operaciones básicas, realizar mediciones, recibir comandos y actuar con base en

ellos, incluyendo la comunicación de datos hacia y desde la puerta de enlace.

Ventajas y desventajas

Las ventajas que ofrece esta arquitectura son:

La puerta de enlace puede operar como una dirección IP para todos las cosas

conectadas a ella. Esto puede ser de utilidad al presentarse situaciones de seguridad,

donde se limita la capacidad de direccionamiento hacia las cosas.

La puerta de enlace puede actuar como centro conector de diversas cosas que

emplean distintos estándares de datos y protocolos inalámbricos. Esto es muy útil

cuando un grupo de “cosas” heterogeneas requieren mostrar un rostro uniforme

hacia el exterior.

En casos de uso donde la puerta de enlace no se diseña para funcionar con un

propósito específico. Este hecho permite optimizar recursos, ya que el costo y la

complejidad no se coloca en las cosas, sino que se trasfiere a la puerta de enlace.

Esto da como resultado que las cosas puedan fabricarse con un diseño compacto de

los recursos de cómputo, al mismo tiempo que se suministran la mayor cantidad de

recursos a la puerta de enlace.

Simplifica la administración y coordinación de las aplicaciones lógicas y acceso a

los datos agregados.

La puertas de enlace pueden actuar como un portal de acceso más inteligente a

Internet. Ademas de actuar como el “cerebro” de las cosas, puede controlar qué

tipos de datos enviar al Internet y proporcionar capacidades avanzadas de seguridad,

que no son posibles colocar en las cosas.

Una arquitectura centrada en la puerta de enlace es muy conveniente para actualizar

a las máquinas o equipos conectados, convirtiendo así en parte fundamental del IoT.

Las desventajas que presenta son:

Se requiere de una "capa" extra (es decir, la puerta de entrada) para comunicarse

con Internet. Este nivel agrega costo, otro punto de integración y un punto adicional

de falla.




,20

Una puerta de entrada aún requiere que el costo y la complejidad residan

localmente, en lugar de confiar en la nube.

Existe la posibilidad de que incremente los retardos en aplicaciones que requieren

control de parámetros.

La puerta de enlace se puede convertir en un punto único de fallo para una cantidad

enorme de sensores, lo que hace necesaria la implementación de mecanismos de

redundancia.

Requiere aún de ancho de banda, debido a que todos los datos atraviesan por la

puerta de enlace.

Un claro ejemplo del uso de esta arquitectura se observa en algunos casos de uso doméstico

(edificios y sistemas de iluminación) donde se favorece el empleo de este tipo de

soluciones.

Los sistemas de semáforos inteligentes con recolección de información, que miden la

distancia y velocidad de vehículos acercándose en todas direcciones y que detecta la

presencia de peatones y ciclistas cruzando la calles; el empleo de semáforos inteligentes en

las intersecciones favorece el uso de este tipo de arquitecturas. Para conocer a detalle la

implementación de la arquitectura del IoT empleada en el monitoreo de contaminantes

realizado y que tienen que ver con el trabajo de investigación que se reporta en la sección

de resultados, fueron presentados en varios congresos y publicaciones (Argüelles, Yáñez,

López, & Camacho, 2011).

3. CONTAMINACION DEL AIRE

3.1 Contaminación atmosférica y microclimas

La producción de la contaminación atmosférica, producida por la actividades desarrolladas

en las grandes ciudades, se ha incrementado de manera tal que es un factor importante que

afecta la salud de los grupos más vulnerables de la sociedad. Con tal escenario, es

importante revisar la regulación y proporcionar información con el fin de actuar en

beneficio de la salud y disminuir el impacto de la contaminación en la vida humana.

Algunas actividades de beneficio para esta nueva información son las alertas ambientales

actualizadas, identificar y delimitar problemas para luchar contra ellos y probar protocolos

de seguridad para contingencias. En esta investigación se observaron tres leyes mexicanas

para contaminantes del aire: NOM-020-SSA1-2014, NOM-021-SSA1-1993 y NOM-023-

SSA1-1993 que regulan la concentración permisible de ozono, dióxido de nitrógeno y

monóxido de carbono, especialización respectivamente. Gracias a esta información un

criterio de selección fue fundada en los datos recogidos.

Al igual que en el exterior, en el interior de un edificio o casa se respiran diversos gases

como el monóxido de carbono, dióxido de carbono, óxido de nitrógeno, entre otros; se está

en contacto con éstos en la vida diaria durante la realización de las actividades cotidianas.




,21

Con las mediciones obtenidas se prosiguió a determinar si la calidad del aire dentro del CIC

se consideraba de buena o mala calidad de acuerdo a la normatividad existente en México,

la NOM-020-SSA1-1993 . "Salud Ambiental. Criterio para evaluar la calidad del aire

ambiente, con respecto al ozono (O3). Valor normado para la concentración de ozono (O3)

en el aire ambiente, como medida de protección a la salud de la población" y la NOM-023-

SSA1-1993, "Salud Ambiental. Criterio para evaluar la calidad del aire ambiente, con

respecto al bióxido de nitrógeno (NO2). Valor normado para la concentración de bióxido de

nitrógeno (NO2) en el aire ambiente, como medida de protección a la salud de la

población".

3.2 Organización Panamericana de la Salud

En 2005, la Organización Panamericana de la Salud (OPS) realizó una revisión sistemática

de los estudios de contaminación del aire y salud en Latinoamérica, por otro lado, Luis

Cifuentes y colaboradores prepararon una actualización de esta revisión de la OPS para el

Instituto de Efectos en Salud. La evidencia científica específica para la Ciudad de México

fue revisada posteriormente por el Instituto Nacional de Salud Pública (INSP) en el análisis

ProAire para futuros programas de calidad de aire en México; estas revisiones encontraron

que en Latinoamérica según su literatura científica existían efectos similares a los del resto

del mundo, con evidencias especialmente fuertes en cuanto a mortalidad prematura y salud

infantil debido a contaminantes en el aire.

Se han realizado varios análisis sobre el impacto en la salud pública de la contaminación

del aire en México, indicando un considerable potencial de beneficios a la salud pública si

se reduce la contaminación del aire.

En el caso de ozono (O₃) se encontró que cuando aumenta su concentración en el DF se

incrementan las visitas a hospitales de personas mayores de 65 años por IRB; mientras que

en Monterrey se relaciona con un incremento en las consultas dos días después en niños

menores de 15 años y en la población general.

La OMS, en la mas reciente actualizacion del “Update of the Global Burden of Disease

from Outdoor Air Pollution”, estimo que la contaminacion del aire causo 14,700 muertes

prematuras en las ciudades de México en el año 2008.

3.3 Estudios realizados en México sobre el problema de la contaminación

En México el Plan Nacional de Desarrollo 1989 - 1994 señaló que la contaminación

atmosférica había sido producto del proceso de la industrialización, así como de las grandes

concentraciones urbanas, primordialmente por la emisión de humos, polvos y gases

provenientes de fuentes móviles y fijas. Y que para prevenir, restablecer y mantener la

calidad de aire, se tomaron acciones para reducir la emisión de contaminantes, como la

creación de nuevas leyes y normatividad.




,22

La Ley General del Equilibrio Ecológico y la Protección al Ambiente y su reglamento en

materia de prevención y control de la contaminación de la atmósfera, señalan que la calidad

del aire debe ser satisfactoria en todos los asentamientos humanos y regiones del país. Así

como la Secretaría de Desarrollo Social, expedirá, en coordinación con la Secretaría de

Salud en lo referente a la salud humana, las normas oficiales mexicanas correspondientes,

especificando los niveles permisibles de emisión e inmisión por contaminante y por fuente

de contaminación, de acuerdo con el reglamento respectivo.

En materia de los efectos que el ambiente puede tener en la salud, la Ley General de Salud

considera que se deben establecer normas, tomar medidas y realizar actividades tendientes

a la protección de la salud humana ante los riesgos y daños que representa el deterioro

ambiental.

Por otro lado, se han realizado estudios de predicción de contaminantes atmosféricos

empleando modelos desarrollados por el grupo de investigación Alfa-Beta.

3.4 Normatividad

En nuestro país se cuentan con normas que regulan los contaminantes de estudio, las cuales

son:

Norma Oficial Mexicana NOM-023-SSA1-1993. "Salud Ambiental. Criterio para

evaluar la calidad del aire ambiente, con respecto al bióxido de nitrógeno (NO2).

Valor normado para la concentración de bióxido de nitrógeno (NO2) en el aire

ambiente, como medida de protección a la salud de la población".

Esta Norma Oficial Mexicana establece el valor permisible para la concentración de

bióxido de nitrógeno en el aire ambiente. Se aplica en todo el país en las políticas de

saneamiento ambiental en lo referente a la salud humana, en actividades o situaciones

ambientales que causen o puedan causar riesgos o daños a la salud de las personas. Es

aplicable para el desarrollo de investigación permanente y sistemática de los riesgos y

daños que, para la salud de la población, origine la contaminación ambiental por bióxido de

nitrógeno.

En esta Norma Oficial Mexicana encontramos que, la concentración de bióxido de

nitrógeno, como contaminante atmosférico, no debe rebasar el límite máximo normado de

0.21 ppm o lo que es equivalente a 395 µg/m3, en una hora una vez al año, como

protección a la salud de la población susceptible.

Norma Oficial Mexicana NOM-020-SSA1-1993, Salud ambiental. Criterios para

evaluar la calidad del aire ambiente con respecto al ozono (O3). Valores normados

para la concentración de ozono (O3) en el aire ambiente como medida de protección

a la salud de la población.

La norma es un instrumento regulatorio que pretende contribuir a que se cumplan los

objetivos de mejoramiento de la calidad del aire en el territorio nacional. En ella




,23

encontramos que la concentración de ozono, como contaminante atmosférico, debe ser

menor o igual a 0.110 ppm, promedio horario, para no ser rebasado una vez al año.

3.5 Organizaciones Nacionales

En México también se cuenta con organizaciones que monitorean y registran lecturas de los

contaminantes del aire cada día alrededor de todo el territorio nacional, aunque éstas

organizaciones sólo realizan éstas mediciones a nivel estatal o municipal y no en un lugar

en específico.

La Secretaría del Medio Ambiente y Recursos Naturales (SEMARNAT) junto con el

Instituto Nacional de Ecología y Cambio Climático (INECC) realizan mediciones de

contaminantes en el aire en La Zona Metropolitana del Valle de México, Mexicali,

Monterrey y demás lugares con mayor índice de contaminación en el aire.

La Zona Metropolitana del Valle de México (ZMVM) en conjunto emite 3.1 millones de

toneladas de contaminantes al año, le sigue Monterrey con casi 2 millones, Guadalajara con

1.4 millones, Cd. Juárez con un poco más de 600 mil y Toluca con casi medio millón de

toneladas anuales.

En términos relativos, la participación de la industria y los servicios en la ZMVM es de

10% de las emisiones, en Monterrey y Toluca es de 7%, en Guadalajara y Cd. Juárez de

5%. La contribución del sector transporte es en Cd. Juárez de casi el 90%, en la ciudad de

México del 85%, en Guadalajara del 75%, en Toluca del 70% y en Monterrey del 50%.

Se puede apreciar que en estas ciudades existe por lo general un mayor aporte de emisiones

por el sector transporte, y como resultado de las peculiaridades de cada ciudad, una mayor

o menor participación de la industria y servicios, dependiendo de sus procesos urbano-

industriales. Así mismo, con base en los inventarios detallados de la Ciudad de México,

Guadalajara, Monterrey, Toluca y Ciudad Juárez, es posible observar que los vehículos

particulares son muy numerosos y representan la fuente de emisión más importante en esos

centros urbanos, reflejando con ello el potencial que existe para la ejecución de programas

de transporte masivo no contaminante y la importancia que tienen los programas de

verificación vehicular como un medio para reducir sus emisiones.

A continuación se presentan dos gráficas que permiten establecer algunas comparaciones

de la calidad del aire entre las 4 principales Zonas Metropolitanas del país, además de Cd.

Juárez, Tijuana y Mexicali.

En la primera gráfica (Figura 6) se puede apreciar la comparación del porcentaje de días

por año en que se han violado las normas de calidad del aire en cada una estas ciudades.




,24

Figura 6. Porcentaje de los días con excedencias a las Normas de la Calidad del Aire

durante 1993-1998. (INECC)

Es importante hacer notar que, como se mencionó anteriormente el problema de la

contaminación del aire sigue siendo mayor en la ZMVM en comparación con las otras

ciudades y que Guadalajara no modificó sustancialmente su comportamiento y su situación

es tan crítica como la de la ciudad de México. En las zonas metropolitanas de Monterrey,

Toluca y Cd. Juárez la situación es menos problemática.

En la ZMVM se violaron con mayor incidencia las normas de calidad del aire que en

Guadalajara, Monterrey, Toluca y Cd. Juárez, ya que en la ZMVM hubo 337 y 304 días

fuera de norma durante 1998, 126 y 149 para 1999, más que en Guadalajara y 301 y 218

más que en Monterrey.

Complementando la información anterior a continuación en la segunda gráfica (Figura 7) se

muestra el porcentaje de días por arriba de 100, 200 y 250 puntos IMECA.




,25

Figura 7. Porcentaje de los días con excedencias a 100,200 y 250 puntos IMECA durante

1993-1998. (INECC)

De aquí se deduce que en 1998, en Guadalajara se rebasaron en menos ocasiones los 200

puntos IMECA que en la ciudad de México, y en Toluca y Cd Juárez, sólo se excedió 1 día,

en Monterrey no se excedió este nivel.

En Cd. Juárez no se alcanzaron los 200 puntos IMECA. También es importante mencionar

que los 250 puntos IMECA sólo se rebasaron en la ciudad de México en el 0.8% de los días

del año en 1998 y 0.5% para 1999, en Guadalajara en el 0.5% de los días del año para 1998.

4. EFECTOS DEL OZONO Y EL DIOXIDO DE NITROGENO

TROPOSFERICO SOBRE LA SALUD HUMANA.

4.1 ¿De dónde provienen los contaminantes del aire?

Los contaminantes atmosféricos son compuestos que una vez añadidos al aire por medio de

las actividades humanas causan daños al ambiente y enfermedades, e incluso la muerte.

Virtualmente toda la contaminación del aire proviene del fuego. Algunos contaminantes

están atrapados dentro del combustible y se desprenden por medio del fuego, otros se crean

por medio del calor durante la combustión y de esta misma resultan otros elementos

contaminantes de la reacción entre los elementos de la combustión con otros productos

químicos en la atmósfera. Todos los combustibles que se utilizan hoy en día—carbón de

piedra, petróleo, gasolina, madera, estiércol o lo que sea—contienen carbono. Si el

combustible se quema completamente, produce dióxido de carbono, lo cual contribuye al

calentamiento global; cuando la combustión es incompleta, se produce el contaminante

monóxido de carbono. Sin embargo, el combustible no es carbono puro pero puede

contener muchos compuestos que contaminan el aire.




,26

4.2 Inversión térmica

El fenómeno de inversión térmica se presenta cuando, en las noches despejadas, el suelo se

enfría rápidamente por radiación. El suelo a su vez enfría el aire en contacto con él

haciéndolo más frío y pesado que el aire que está en la capa inmediatamente superior

(Figura 8). Al disminuir tanto la convección térmica como la subsidencia atmosférica,

disminuye la velocidad de mezclado vertical entre las dos capas de aire.

Figura 8. Comportamiento de la inversión térmica. (munimadrid)

El efecto de inversión térmica ocurre especialmente en invierno, en situaciones

anticiclónicas fuertes que impiden el ascenso del aire y concentran la poca humedad en los

valles y cuencas, dando lugar a nieblas persistentes y heladas. Puede también generarse en

un frente ocluido, cuando se da una oclusión de frente frío. Este fenómeno meteorológico

es frecuente en las mañanas frías sobre los valles de escasa circulación de aire en todos los

ecosistemas terrestres.

Otra forma en la que se presenta en las cuencas cercanas a las laderas de las montañas en

noches frías debido a que el aire frío de las laderas desplaza al aire caliente de la cuenca

provocando el gradiente positivo de temperatura.

Generalmente, la inversión térmica se termina (rompe) cuando al calentarse el aire que está

en contacto con el suelo se restablece la circulación normal en la troposfera. Esto puede ser

cuestión de horas, pero en condiciones meteorológicas desfavorables la inversión puede

persistir durante días.




,27

Aunque los anticiclones suelen estar limpios de nubes cuando las capas de subinversión y la

superficie están secas (sobre interiores continentales y desiertos, por ejemplo), las

inversiones térmicas pueden atrapar nubes, humedad, contaminación y polen de capas

próximas a la superficie, pues interrumpen la elevación del aire desde las capas bajas. Los

estratocúmulos de bajo nivel pueden adquirir un carácter extenso y persistente y provocar

una ‘oscuridad anticiclonica’, especialmente si el aire viene del mar. Cuando la velocidad

del aire es baja a consecuencia de la inversión, los gases de escape de los automóviles y

otros contaminantes no se dispersan y alcanzan concentraciones elevadas, sobre todo en

torno a centros urbanos denominan un fenomeno llamado “smog” (mezcla de niebla y

contaminación), factor causante de la mala calidad del aire que aumenta la tasa de asma y

otras afecciones respiratorias e incluso eleva la mortalidad.

Esta clase de inversiones que atrapan la contaminación pueden durar varios días en verano.

La conciencia de la gravedad del problema, sobre todo en los veranos más calurosos, ha

llevado a los organismos competentes a vigilar la calidad del aire y a advertir cuando es

mala y alcanza unos niveles elevados, para tomar medidas inmediatas que coadyuven este

problema.

4.3 OZONO O₃

El ozono (O3) es un gas que se forma en la atmósfera cuando se combinan 3 átomos de

oxígeno; se caracteriza además por ser incoloro, con un olor particular y por poseer la

capacidad de oxidar materiales.

El ozono es un gas casi invisible tan tóxico que alguna vez se le usó ampliamente para

esterilizar instrumentos de laboratorio y todavía se le utiliza en muchas ciudades (Los

Ángeles y en Zurich, Suiza, por ejemplo) para desinfectar el agua potable. Así como el

decolorante de cloro, el ozono destruye la materia orgánica, incluyendo el tejido humano, al

oxidarlo.

El O3 es muy reactivo e incluso a bajas concentraciones es irritante y tóxico, se encuentra

de manera natural en la estratósfera; sin embargo, en la tropósfera es un contaminante

secundario que se forma mediante la reacción química de óxidos de nitrógeno (NOx) y

compuestos orgánicos volátiles (COV) en presencia de luz solar tal como se muestra en la

figura 9.




,28

Figura 9. Reacciones que participan en la formación de O₃ troposférico.

Por lo tanto se trata de un contaminante secundario que se forma a partir de contaminantes

precursores cuando se dan las condiciones meteorológicas adecuadas. Los episodios más

agudos de ozono tienen lugar en las tardes de verano.

Esta molécula, altamente reactiva, tiende a descomponerse en las zonas en las que existe

una alta concentración de monóxido de nitrógeno (NO), esto explica por qué su presencia

en el centro de las grandes ciudades suele ser más baja que en los cinturones metropolitanos

y en las áreas rurales circundantes.

Por otro lado, el ozono se ve con frecuencia implicado en fenómenos de transporte

atmosférico a grandes distancias, lo que también origina problemas de contaminación

transfronteriza.

4.3.1 Efectos del ozono en la salud

Desde la publicación de la segunda edición de las guías de calidad del aire de la OMS para

Europa (OMS, 2000), en las que se estableció el valor guía de los niveles de ozono en 120

µg/m3 para un promedio diario de ocho horas, es poca la nueva información que se ha

obtenido a partir de estudios de laboratorio o de campo acerca de los efectos del ozono en

la salud. Sin embargo, en estudios epidemiológicos de series cronológicas se ha conseguido

un volumen considerable de nuevas pruebas sobre los efectos en la salud.

Estos estudios considerados en conjunto han puesto de manifiesto que hay asociaciones

positivas, pequeñas pero convincentes, entre la mortalidad diaria y los niveles de ozono,

que son independientes de los efectos del material particulado. Se han observado estas

asociaciones análogas tanto en América del Norte como en Europa. Estos últimos estudios

de series cronológicas han demostrado que se producen efectos en la salud con

concentraciones de ozono por debajo del valor guía anterior de 120 µg/m³, pero no se

dispone de pruebas claras de un umbral.




,29

Estos resultados, junto con las pruebas obtenidas en estudios tanto de laboratorio como de

campo que indican que hay una variación individual considerable en la respuesta al ozono,

ilustran bien la reducción de las Guías de Calidad del Aire (GCA) de la OMS para el ozono,

pasando del nivel actual de 120 µg/m³ a 100 µg/m³ (media máxima diaria de ocho horas).

Es posible que en algunas personas sensibles se registren efectos en la salud con

concentraciones por debajo del nuevo nivel guía. Tomando como base varios estudios de

series cronológicas, se estima que el número de muertes que se le pueden atribuir aumenta

de un 1% a 2% en los días en los que la concentración media de ozono durante ocho horas

llega a 100 µg/m³, por encima del que se registra cuando los niveles de ozono están en un

nivel de referencia de 70 µg/m³. Incluso hay algunos datos que parecen indicar que la

exposición prolongada al ozono puede tener efectos crónicos, pero no son suficientes para

recomendar un valor guía anual.

El ozono se forma en la atmósfera mediante reacciones fotoquímicas en presencia de luz

solar y contaminantes precursores, como los óxidos de nitrógeno (NOx) y diversos

compuestos orgánicos volátiles (COV). Se destruye en reacciones con el NO₂ y se deposita

en el suelo. En varios estudios se ha demostrado que hay una correlación entre las

concentraciones de ozono y las de varios otros oxidantes fotoquímicos tóxicos procedentes

de fuentes semejantes, como los nitratos de peroxiacilo, el ácido nítrico y el peróxido de

hidrógeno. Las mediciones para controlar los niveles de ozono troposférico se concentran

en las emisiones de gases precursores, pero es probable que también controlen los niveles y

los efectos de varios de esos otros contaminantes.

Las concentraciones hemisféricas del fondo al ozono troposférico presentan variaciones en

el tiempo y en el espacio, pero pueden alcanzar niveles medios de alrededor de 80 µg/m³ en

ocho horas.

Estas concentraciones proceden de emisiones tanto antropogénicas como biogénicas

(COV’s de la vegetacion por ejemplo) asi como de precursores del ozono y la intrusion

descendente del ozono estratosférico hacia la troposfera. El valor guía propuesto se puede

superar en ocasiones debido a causas naturales, a medida que aumentan las concentraciones

de ozono por encima del valor guía, los efectos en la salud de la población son cada vez

más numerosos y graves. Dichos efectos se pueden presentar en lugares en los que las

concentraciones ya son elevadas debido a actividades humanas o suben durante episodios

de clima muy caluroso.

4.3.1.1 Inhalación

El ozono al ser inhalado es capaz de ocasionar tos, dolor de cabeza, jadeo, dolor de

garganta, inflamación pulmonar, depresión del sistema inmunológico, cambios agudos en la

función, estructura y metabolismo pulmonar, que pueden resultar en síntomas y

enfermedades respiratorios, e incluso existe evidencia sobre una asociación con mortalidad

prematura. En niveles encontrados de manera rutinaria en la mayoría de las ciudades, el

ozono quema las paredes de las células en los pulmones y las vías respiratorias. Los tejidos

se vuelven rojos y se hinchan y, con el correr del tiempo pierden su elasticidad.




,30

Las células macrófagas se precipitan a la defensa del pulmón, pero quedan pasmadas por el

ozono provocando una susceptibilidad aumentada a infecciones causadas por bacterias.

Cicatrices y lesiones se forman en las vías respiratorias a niveles de ozono que prevalecen

durante gran parte del año en las ciudades grandes con un clima cálido, el ejercicio causa

una respiración rápida, poco profunda y dolorosa a las personas jóvenes saludables que no

fuman, por lo que la inhalación de más de 20 ppm en un tiempo mayor a una hora puede ser

fatal.

La inhalación de gas a una concentración por encima de 5 ppm, puede causar edema

pulmonar. Un importante factor que condiciona los efectos de la exposición al ozono sobre

los pulmones es la tasa de ventilación. Al aumentar el ritmo de la respiración aumenta el

ozono que entra en los pulmones, por lo que sus efectos nocivos se incrementan con el

ejercicio físico, y son por esta razón también mayores en los niños. Diversos estudios

relacionan el ozono con inflamaciones de pulmón, síntomas respiratorios, e incrementos en

la medicación, morbilidad y mortalidad.

Los daños a la salud causado por la exposición al ozono son diversos, es por eso que

diferentes organizaciones han establecido ciertos límites de exposición a este gas

contaminante como los establecidos en la tabla 3.

Tabla 3: Valores límite de normas nacionales e internacionales relacionadas con el O₃.

Límite de exposición según la OSHA 8 horas por día, 5 días por semana a 0,1 ppm

Límites de exposición según la norma

COVENIN

Trabajo pesado:0,05 ppm, trabajo

moderado:0,08 ppm, trabajo liviano:0,1 ppm,

cargas de trabajo pesado, moderado ligero

(≤2h):0,2 ppm

Límites de exposición según la OMS Dosis de ozono en aire 0,05 ppm para el

público en general.

Límite de exposición según la NOM-020-

SSA1-1993 Dosis de ozono en aire ≤ 0,11 ppm

4.3.1.2 Contacto Ocular

En lo que se refiere a los daños ocasionados por el ozono en contacto con los ojos, las

elevadas concentraciones son causantes de irritación en los ojos, denotado por una

tonalidad roja en la esclerótica (parte blanca del ojo), e incluso ardor.




,31

4.4 Dióxido de nitrógeno NO₂

El NOx es un término genérico que hace referencia a un grupo de gases muy reactivos tales

como el óxido nítrico (NO) y el dióxido de nitrógeno (NO2) que contienen nitrógeno y

oxígeno en diversas proporciones y que son contaminantes del aire producido mediante el

proceso de combustión.

El dióxido de nitrógeno es también conocido como tetróxido de dinitrógeno, nitrito, óxido

de nitrógeno, peróxido de nitrógeno, tetróxido de nitrógeno, NTO, óxido rojo de nitrógeno.

La emisión de este contaminante ocurre en todos los procesos de combustión a altas

temperaturas y también en la generación de la energía eléctrica. Además de las actividades

humanas, los fenómenos naturales y la vida animal y vegetal pueden jugar un papel

importante en el problema de la contaminación del aire.

El NO₂ es higroscópico (que absorbe la humedad) en la atmósfera y forma aerosoles de

ácido sulfúrico y sulfuroso que luego forman parte de la lluvia ácida.

La intensidad de formación de aerosoles y el período de permanencia de los aerosoles en la

atmósfera dependen de las condiciones meteorológicas reinantes y de la cantidad de

impurezas catalíticas presentes en el aire. El tiempo medio de permanencia en la atmósfera

asciende a unos 3-5 días, de modo que la sustancia puede ser transportada a grandes

distancias.

Los óxidos de nitrógeno se encuentran también en niveles muy altos en los espacios

interiores de todo tipo de edificación, en dónde son generados por los calentadores y las

estufas aunque por si solos, estos óxidos ya representen una amenaza seria para la salud.

Estos compuestos óxidos ayudan también a formar el ozono así como el ácido nítrico y

además partículas finas de nitratos, que son la causa no solamente de la lluvia ácida sino de

la fertilización artificial de bahías y estuarios.

4.4.1 Tipos de Emisiones

Las emisiones de dióxido de nitrógeno son generadas por 3 rubros principalmente:

Emisiones antropogénicas: El NO2 se considera un buen indicador de la

contaminación debida al tráfico rodado, pero su presencia en el aire de las ciudades

proviene en su mayor parte de la oxidación del monóxido de nitrógeno (NO), cuya

fuente principal son las emisiones provocadas por los automóviles, sobre todo los

diésel.

Emisiones Biogénicas: Un gran número de investigadores han establecido que la

vegetación (ejemplo: pastos, cultivos, arbustos, bosques, etc.), emiten cantidades

significativas de hidrocarburos a la atmósfera.

Emisiones de Suelos: El óxido nitroso (NO2) es producido naturalmente en los

suelos como parte del proceso de desnitrificación (es decir; la reducción de nitritos

y nitratos a nitrógeno gaseoso como N2 o NOx). Por su parte, los fertilizantes




,32

nitrogenados comerciales constituyen una fuente adicional de nitrógeno, lo cual

incrementa las emisiones del suelo de NO2.

Se estima que las emisiones de NOx provenientes de los suelos constituyen un 16% de la

cantidad global de NOx en la tropósfera.

En el aire ambiente exterior, el óxido nítrico (NO) emitido por los automóviles se combina

con el oxígeno presente en la atmósfera por la acción de la luz solar dando como resultado,

la producción de dióxido de nitrógeno (NO2) que es uno de los mayores contaminantes del

aire, junto con otros NOx. Estos compuestos en combinación con las partículas

suspendidas son responsables de la capa café-rojiza que se puede ver con frecuencia sobre

muchas áreas urbanas.

De todos los óxidos de nitrógeno que se encuentran en la atmósfera, solo el dióxido de

nitrógeno (NO2) tiene un efecto negativo en la salud. Es considerado como peligroso por la

Norma de Comunicación de Riesgos de la OSHA (29 CFR 1910.1200).

4.4.2 Efectos Potenciales en la Salud

Al igual que el ozono, los óxidos de nitrógeno son oxidantes que destruyen materia

orgánica como el tejido humano. Los animales expuestos a los NOx tienen una capacidad

menor para prevenir las infecciones bacteriales y mueren más fácilmente, pues su

susceptibilidad a las infecciones virales aumenta y estar expuestos a niveles altos de NO₂ durante semanas causa cambios en los pulmones de los animales similares a los presentados

por los humanos en el enfisema.

En cuanto a los seres humanos, muchos niños de doce años de edad o menores expuestos a

niveles altos de NOx en el exterior, sufren más enfermedades como resfríos que se ubican

dentro de los bronquios, sufren una respiración sibilante y tos crónicas, así como

bronquitis, tos bronquial con flema, y episodios de enfermedades respiratorias de la

garganta y del pulmón. Cuando están expuestos en espacios interiores, lo cual sucede

frecuentemente porque el NOx se crea por medio de los calentadores a gas sin ventilación,

los niños pueden sufrir de respiración jadeante, respiración sibilante crónica y tos, flema y

bronquitis.

Diversos estudios señalan un vínculo entre el NOx y la muerte prematura, por ejemplo; en

Londres, cuando aumentaron los niveles del NO₂, aumentaron también las muertes

causadas por razones cardiovasculares, así como la morbilidad a causa de neumonía en las

personas mayores. De manera similar, en Rouen y Le Havre, Francia, cuando el NO₂ aumentó, hubo un aumento repentino del 6,1 por ciento en las muertes causadas por

problemas cardiovasculares.

En Corea del Sur, cuando los científicos examinaron los archivos de seguros médicos que

amparaban al 96 por ciento de la población, encontraron que el NO₂ estaba vinculado con




,33

las muertes por insuficiencia cardiaca congestiva y en Seúl con un estudio diferente se

encontró que el NO₂ estaba vinculado a las muertes causadas por embolia cerebral aguda.

4.4.2.1 Inhalación

La sobreexposición que se tiene al inhalar altas concentraciones de NO2, puede irritar las

membranas mucosas nasales, faringe y bronquios, presentándose dolor de cabeza y otros

dolores generalizados, cianosis, respiración irregular, sensación de asfixia y mareo. El

vapor de este mismo gas contaminante, es altamente toxico y peligroso debido a que causa

neumonitis química y edema pulmonar demorados, así como dolor, sensación de asfixia,

broncoconstricción, desaceleración de reflejo cardiaco, asfixia total en donde la falta de

oxígeno puede ser mortal, pero también su exposición crónica o repetida puede causar

disminución permanente de la función pulmonar, aunque los síntomas pulmonares pueden

presentarse tardíamente en un lapso de 5 a 72 horas.

4.4.2.2 Contacto con la piel

En cuanto al daño de la piel se refiere, el NO₂ es un Irritante severo que puede ocasionar

quemaduras y su contacto prolongado o masivo con la piel puede generar absorción de

cantidades dañinas para la salud de dióxido de nitrógeno así como la inflamación repetida

de la piel causando una dermatitis.

4.4.2.3 Ingesta

Si se llegara a consumir el NO₂ en su forma líquida, este contaminante puede causar

náuseas y dolor abdominal.

4.4.2.4 Contacto Ocular

El contacto con este contaminante en alguno de sus estados, puede ocasionar conjuntivitis

severa, observada como un enrojecimiento marcado y excesivo en la esclerótica (parte

blanca del ojo).

4.4.2.5 Sistema Cardiovascular

Como ya se mencionó anteriormente, los daños al ser humano son diversos, más

específicamente; el sistema cardiovascular se ve afectado al sufrir un pulso rápido y débil,

corazón dilatado, congestión en el pecho y colapso circulatorio.

4.4.2.6 Grados de Consecuencia

En la Tabla 4 se muestran los efectos nocivos a la salud de acuerdo al incremento de las

concentraciones de dióxido de nitrógeno, según investigaciones españolas.

Tabla 4: Rango de concentración de ozono y sus consecuencias




,34

Concentración de dióxido

de nitrógeno Efecto

0,21 mg/m3 (0,11 ppm) Umbral del olor

18,8-37,6 mg/m3 (10-20 ppm) Ligeramente irritante

37,6 mg/m3 (20 ppm) IDLH (Inmediatamente peligroso para la vida y

la salud; 30 minutos).

≥282,3 mg/m3 (≥150 ppm) Se ha informado de muerte por edema pulmonar

327,4 mg/m3 (174 ppm)

Se ha pronosticado que debería producirse un

50% de mortalidad durante una exposición de

una hora.

Fuente: Murciasalud, 2007

4.4.3 Investigaciones Internacionales

Un estudio realizado en 1988 por el Departamento de Salud Ambiental, Bioestadística y la

Universidad de Pediatría en Washington, consistió en realizar una comparación entre doce

adolescentes sanos y doce asmáticos que fueron expuestos al azar a aire limpio o a

concentraciones de 0,56 mg/m³ (0,30 ppm) de dióxido de nitrógeno (NO₂) durante 60

minutos mientras realizaban ejercicio moderado intermitente. Después de la exposición a

0,56 mg/m3 (0,30 ppm) de NO₂, se observó en el grupo de asmáticos un descenso

significativo de la capacidad vital forzada. Una posible explicación para estos cambios es la

múltiple comparación de efectos aunque no se observaron cambios significativos en los

individuos sanos. (Koening, Covert, Smith, Belle, & Pierson, 1988).

Varios informes sugieren que el dióxido de nitrógeno se absorbe en los pulmones y

reacciona con la sangre para formar metahemoglobina (Gosselin, 5th ed. 1984), enzima que

disminuye la capacidad del cuerpo para transportar el oxígeno por todo el organismo,

clínicamente causa coloración azulada en la piel y en las extremidades (Fig. 10), dolor de

cabeza, dificultad respiratoria, falta de energía, retraso en el desarrollo, también afecta el

crecimiento, causa discapacidad intelectual, convulsiones, produce cianosis y en

concentraciones elevadas de metahemoglobina es causante de asfixia aun en los adultos.

Figura 10: Comparación de tonalidades de piel (Normal/Metahemoglobina)




,35

4.4.4 Comportamiento en el Territorio Nacional

En general, las concentraciones de los NOx son atribuibles a la actividad vehicular y en

menor medida, a la industria; por lo que su comportamiento horario refleja ambos patrones

de actividad. El NO aparece cuando empieza el tránsito vehicular, y al comenzar la

radiación solar se oxida, produciendo NO2. Las concentraciones de NO2 aumentan para

alcanzar su valor máximo cuando se establece un equilibrio entre su velocidad de

formación y su velocidad de eliminación, con la formación de ácido nítrico, nitratos

orgánicos y O3. Aproximadamente al mismo tiempo que el NO2 alcanza su concentración

máxima, comienza a formarse el O3; que cuando este alcanza su concentración máxima,

permite la reconstitución del NO2.

En la gráfica que muestra la figura 11, se muestra el comportamiento promedio horario del

dióxido de nitrógeno en la región centro de la República Mexicana, en el periodo de 1997

al 2005, reportado por el Instituto Nacional de Ecología y Cambio Climático (INECC).

Figura 11: Comportamiento horario del NO2 en la región centro (1997-2005). (INECC

2006)

Dónde:

ZMVM = Zona Metropolitana del Valle de México

ZMG = Zona Metropolitana de Guadalajara

ZMT = Zona Metropolitana de Toluca




,36

5. SISTEMA DE MONITOREO DE CONTAMINANTES ATMOSFERICOS EN

ENTORNOS DELIMITADOS

5.1 Instalaciones empleadas en la medición de contaminantes

Dentro de las instalaciones de área común de estudiantes frente al Laboratorio de Cómputo

Inteligente del Centro de Investigación en Computación, ubicado dentro de la unidad

profesional Adolfo López Mateos del Instituto Politécnico Nacional (IPN), se emplearon

varios circuitos electrónicos conectados a los sensores encargados de realizar el monitoreo

de los gases ozono, monóxido de carbono y dióxido de nitrógeno, así como la temperatura

y humedad, con la finalidad de revisar las condiciones del aire presente en ésta área y en un

futuro puedan emplearse en otro tipo de zonas como: oficinas, escuelas, centros

comerciales, estacionamientos, etc. La arquitectura emplea una comunicación inalámbrica

que permite transferir los datos capturados por los módulos de los sensores (IoT) hacia la

puerta de enlace que se encarga de enviar los datos procesados hacia el portal de internet

para su difusión a la comunidad.

El espacio que ocupa el área tiene una superficie de 225m² aproximadamente,

arquitectónicamente está diseñado con un área central destinada al trabajo de los

estudiantes y con cubículos de profesores circundantes a ésta (Figura 12). Dichos cubículos

cuentan con ventanas, las cuáles se encuentran cerradas la mayor parte del tiempo. No hay

un gran flujo de aire a pesar de que uno de sus muros es de cristal y no se extiende hasta el

techo, permitiendo la entrada de aire (Figura 13).

Figura 12: Vista Norte del laboratorio.




,37

Figura 13. Pared de cristal.

Se realizaron mediciones diarias en un periodo de 10 meses aproximadamente durante el

año 2014 y 2015. La información de las condiciones se presentan en una página en internet,

donde se indica además las posibles repercusiones a la salud humana con respecto a los

gases contaminantes en estudio.

Con toda la información recabada por medio del sistema de monitoreo se determina si el

aire presente en el espacio interior es de buena o mala calidad, posteriormente se lleva a

cabo un análisis empleando modelos matemáticos con el propósito de realizar pronósticos

para conocer las concentraciones de los contaminantes con base en el historico.

El estudio permite considerar los elementos básicos para el monitoreo de diversos

contaminantes, en lugares donde la gente pasa la mayor parte de su tiempo (espacios

cerrados) como lo son las escuelas, oficinas, centros comerciales, cines, entre otros, para

que en caso de encontrarse elevadas concentraciones de contaminantes que sean dañinos a

la salud, tomar medidas para bajar sus niveles de concentración y evitar repercusiones para

los que utilicen dichas instalaciones.




,38

6. CONCLUSIONES

Derivado de lo comentado en las secciones anteriores, se tiene como resultado de la

investigación y el trabajo de campo una plataforma que emplea las tecnologías de la

información y la comunicación para mostrar datos de monitoreo de las condiciones de la

calidad del aire.

Cada uno de los módulos con sensores se conecta para realizar las lecturas al interior del

edificio, y están colocados en diferentes partes con el fin de tener una muestra más amplia y

confiable de los datos. Cada uno de los módulos con sensores está conectado de manera

inalámbrica y la información se almacena en un servidor con una base de datos de MySQL.

Los módulos con sensores están sincronizados para mandar las tramas con los datos

censados a una única tabla especializada, en este caso, la tabla está especializada en recibir

niveles de CO, CO2, NO2, temperatura, humedad y O3 como los datos más importantes.

Como puede verse en el diagrama de abajo, en un día son insertados más de 700 datos

censados.

Tabla 3. Trama de datos saliente de cada dispositivo

id id_wasp id_secret frame_type frame_number sensor value timestamp raw parser_type

'1' '2' '394703819' '128' '139' 'BAT' '96' '2015-07-01

21:35:32'

NULL '0'

Con el objeto de mostrar las lecturas realizadas por cada uno de los módulos con sensores,

se diseño una página web (Figuras 14 y 15) con la información con un formato que cumple

con las NOM descritas en la sección 4 y que, a manera de tabla, muestran los niveles en el

momento en que son consultados y las sugerencias que dependiendo de las condiciones

presentadas se deben seguir en su caso, a través del sitio www.airmx.net (Figuras 16 y 17).

http://www.airmx.net/




,39

Figura 14. Portal con la explicación del proyecto.

Figura 15. Ubicación de los sensores en el edificio y lectura indicada en línea.

Figura 16. Rangos mostrados en el sitio de internet para identificar los índices para cada

contaminante que se esta monitoreando.




,40

Figura 17. Recomendaciones presentadas en el portal respecto de las condiciones de riesgo

para la salud en relación con los niveles de exposición.

El ozono que se encuentra presente en las proximidades del suelo, tiene su origen

principalmente en las reacciones químicas que se producen en la tropósfera, a partir de

compuestos precursores que reaccionan bajo la acción de la luz solar (reacciones

fotoquímicas). Estas reacciones se producen de manera natural por medio de las plantas y

seres vivos, por lo que siempre existe una cierta concentración de ozono en los niveles

superficiales.

Los compuestos precursores son principalmente oxidos de nitrogeno NOₓ y compuestos

orgánicos volátiles COVs, que son emitidos por el hombre en procesos industriales y en la

quema de combustibles fósiles. La naturaleza por medio de la tierra y las plantas también

emite estos compuestos precursores.

Entonces aplicando todo esto a la zona de estudio, se tiene que los óxidos de nitrógeno se

encuentran en los automóviles que circulan muy cerca de la zona, así como los COVs y el

oxígeno provenientes de las plantas y organismos vivos, junto con el nivel de luz solar

incrementando alrededor del mediodía, todo esto da a lugar al incremento de concentración

de ozono dentro del laboratorio. Podría haber los mismos niveles de COVs y de ozono

tanto en el interior como en el exterior de las instalaciones, pero conforme pasa el tiempo,

la luz solar pierde intensidad y entonces deja de producirse las reacciones fotoquímicas y la

concentración de ozono disminuye significativamente más afuera que adentro del

laboratorio. Esto se puede observar mediante las gráficas obtenidas con los sensores, donde

se puede observar que el factor temperatura influye en mayor medida en el comportamiento

de los contaminantes que la humedad. Es por esta razón que las concentraciones de ozono

dentro del laboratorio aumentan llegando en algunos días a superar el límite de la norma




,41

NOM 020 SSA1 1993 en el periodo de entre las 12 y 18 horas, y después de esto aún se

mantiene una concentración considerable pero no como para sobrepasar el valor permitido.

Recomendaciones

Una sugerencia de acción inmediata para aminorar las concentraciones de gases

contaminantes dentro de las instalaciones del CIC es revisar si la entrada de aire es

suficiente y da lugar a un buen flujo del mismo, inspeccionar si la colocación y orientación

de los puntos de entrada de aire proveniente del exterior son los idóneos, ya que en caso de

ser lo contrario, se propicia a la existencia de zonas no ventiladas, diferencias de presión

que originan corrientes de aire y cambios continuos en las características

termohigrométricas (condiciones físicas ambientales de temperatura, humedad y

ventilación) dentro del edificio.

Otra opción pero de mediana acción es aumentar la presencia de plantas dentro de las

instalaciones para mejorar la calidad del aire dentro de las mismas, esto debido al

antecedente en 1989, cuando la NASA realizó un estudio para observar plantas como:

Palma de Bambú (Chamaedorea seifrizzi), Laurel de la India (Ficus benjamina), Yerbera

(Gerbera jamesonii), Hiedra (Herdera helix), Crisantemo (Chrysantemus moriflolium),

Lengua de Suegra (Sansevieria trifasciata), Espatifilo (Spathiphyllum), Dracaena Janet

Craig (Dracaena deremensis), Dracaena Marginata, Dracaena Warneckii y Aglaonema

(Aglaonema modestum). Todas ellas para fueron sometidas a concentraciones de 20 ppm

de los químicos Tricloroetileno, Formaldehìdo y Benzeno dentro de pequeñas cámaras

experimentales durante periodos de 24 horas, teniendo como resultado la disminución del

valor de concentración inicial , donde algunas lograron la reducción de dicho valor hasta un

79%.

El ejercicio presentado en esta trabajo ha generado resultados que derivan en el desarrollo

de los conocimientos, la adquisición de la experiencia producto del trabajo de colegas y

alumnos que participaron en los proyectos que sirvieron para la obtención de diversos

productos, entre ellos se cuenta la formación de recursos humanos de alto nivel en las

maestrías de Ciencias de la Computación, Ingeniería de Cómputo, Tecnología de Cómputo

y Ingeniería Civil, la generación de articulos en revistas de alto impacto, y presentación de

los resultados en congresos de alto nivel.

Agradecimientos

El autor agradece el apoyo recibido por parte de las siguientes intituciones para generar los

proyectos que hicieron posible la redacción de este documento: El Instituto Politécnico

Nacional (Secretaría Académica, COFAA, SIP, CIC, CIDETEC, ESIA), Sistema de

Monitoreo Atmosférico de la Ciudad de México y el Consejo Nacional de Ciencia y

Tecnología.




,42

REFERENCIAS

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