Desarrollo de Nariz Electrónica personal para Smartphones para la Medida de Olores en el Medio Ambiente

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Lozano 00    En este ocasión, se presenta una nueva nariz electrónica miniaturizada (60x60 mm) conectada con un teléfono inteligente a través de una conexión Bluetooth. Este dispositivo tiene un diseño electrónico similar a otros prototipos anteriores, pero con un menor tamaño y consumo. El control del sistema se basa en un microcontrolador PIC18F46K80. Incluye cuatro sensores MOX miniaturizados y un sensor integrado de temperatura y humedad con los circuitos de acondicionamiento adecuados. Las comunicaciones con el teléfono inteligente se realizan mediante un Transmisor Bluetooth de Baja Energía.

   En este caso, también se ha desarrollado una app para Android para conectar con el dispositivo y para supervisar las medidas. El procesamiento de datos se realiza de forma remota en un servidor enviando una petición al mismo y posteriormente se recibe el valor de salida de un clasificador basado en redes neuronales o lógica difusa calculado en el servidor.

Jesús Lozano1*, Patricia Arroyo1, José Ignacio Suárez1, José Luis Herrero1, José Pedro Santos2, Manuel Aleixandre2

1 Escuela de Ingenierías industriales. Universidad de Extremadura, Av. Elvas s/n, 06006 Badajoz, España.
2 GRIDSEN Instituto de Tecnologías Físicas y de la Información (ITEFI-CSIC), Serrano 144, 28006 Madrid, España.
 *

   Conflictos de interés: El autor declara que no existe conflicto de intereses.

   Editor académico: Carlos N Díaz.

   Calidad del contenido: Este artículo científico ha sido revisado por al menos dos revisores. Vea el comité científico aquí

   Cita: Jesús Lozano, Patricia Arroyo, José Ignacio Suárez, José Luis Herrero, José Pedro Santos, Manuel Aleixandre, 2017, Desarrollo de Nariz Electrónica personal para smartphones para la medida de olores en el medioambiente, IV Conferencia Internacional sobres gestión de Olores en el Medio Ambiente, Valladolid, España, www.olores.org

   Copyright: Los autores retienen la propiedad del copyright de sus artículos, pero los autores permiten a cualquier persona descargar, reusar, reimprimir, modificar, distribuir y/o copiar artículos del sitio web de olores.org, siempre que se citen los autores originales y las fuentes. No es necesario permiso específico de los autores o de los editores de esta web.

   ISBN: 978-84-697-7359-8

   Palabras claves: Nariz electrónica, sensores de gases, smartphones, ambientes urbanos, contaminantes, COVs

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Resumen

   Presentamos en esta comunicación una nueva nariz electrónica miniaturizada (60x60 mm) conectada con un teléfono inteligente a través de una conexión Bluetooth. El dispositivo presentado aquí tiene un diseño electrónico similar a otros prototipos anteriores, pero con un menor tamaño y consumo. El control del sistema se basa en un microcontrolador PIC18F46K80. Incluye cuatro sensores MOX miniaturizados y un sensor integrado de temperatura y humedad con los circuitos de acondicionamiento adecuados.

   Las comunicaciones con el teléfono inteligente se realizan mediante un Transmisor Bluetooth de Baja Energía. Se ha desarrollado además una aplicación de Android para conectar con el dispositivo y para supervisar las medidas. El procesamiento de datos se realiza de forma remota en un servidor enviando una petición al mismo y posteriormente se recibe el valor de salida de un clasificador basado en redes neuronales o lógica difusa calculado en el servidor.

 

1. Introducción

   La nariz humana es capaz de distinguir entre más de 10.000 aromas diferentes, pero es un sentido mínimamente aprovechado [1]. Nuestro sentido del olfato es 10,000 veces más sensible que el resto de nuestros sentidos y el reconocimiento del olor es inmediato [2], esto es porque otros sentidos similares, como el tacto y el gusto, deben viajar por el cuerpo a través del sistema nervioso antes de llegar al cerebro, mientras que la respuesta olfatoria es instantánea y se dirige directamente al cerebro.

   En los últimos años, hay un gran interés en la implementación del sentido del olfato de forma artificial, dispositivos comúnmente conocidos como narices electrónicas. Una nariz electrónica se define como un instrumento que consta de un array de sensores químicos electrónicos parcialmente específicos y un sistema de reconocimiento de patrones apropiado, capaz de reconocer olores individuales o complejos [5]. La nariz electrónica está formada por un conjunto de sensores que responden ante un estímulo externo (un olor), detectando la presencia de los compuestos orgánicos volátiles del mismo. Al igual que el sistema olfativo humano, su objetivo es relacionar el olor que se percibe con una respuesta que, tras ser almacenada en la memoria, servirá como modelo en ulteriores análisis.

   Las medidas efectuadas con la nariz electrónica son, en la mayoría de los casos, objetivas, reproducibles y fiables. Este tipo de dispositivo permite realizar estas detecciones con un coste inferior al de los métodos de análisis clásicos (operadores y paneles de expertos, cromatografía de gases, espectrometría de masas etc.), proporcionando además medidas en tiempo real que pueden interactuar con la instrumentación convencional de control de procesos. Su interpretación es sencilla, rápida y se realiza en tiempo real y en continuo. Al igual que ocurre con el olfato humano, la nariz electrónica aprende con la experiencia y mejora sus facultades a medida que se va utilizando. Está diseñada para analizar, reconocer e identificar niveles muy bajos (partes por billón) de sustancias químicas volátiles. Los componentes principales de una nariz electrónica aplicada: un sistema de muestreo para llevar los compuestos volátiles hacia los sensores que detectan los compuestos de interés, un sistema electrónico encargado de realizar las tareas de control del sistema y medida de las respuestas de los sensores y un sistema de reconocimiento de patrones que permite identificar y clasificar el olor o contaminante detectado [6,7]. Su tecnología se basa en la absorción y desorción de sustancias químicas volátiles que interaccionan con una batería de sensores, que traducen los cambios específicos en un parámetro físico medible en cada elemento sensor (resistencia eléctrica, frecuencia, capacidad, etc.), cuando estos están expuestos a distintos olores.

   La mayoría de las aplicaciones de los sistemas de olfato electrónico o narices electrónicas publicadas hasta la fecha corresponden a los sectores: sanitario [8-11], cosmético (análisis de fragancias en jabones y perfumes [12]) y al sector agroalimentario, producción de alimentos y bebidas (pescado [13], aceite de oliva [14], queso [15], leche [16], fruta [17], cerveza [18], vino [19], vinagre [20], café [21], etc.). En cuanto al sector del medioambiente, se han descrito aplicaciones en la detección de polución atmosférica [22], calidad del aire interior [23], control y monitorización de emisiones de estaciones depuradoras [24-26] aguas residuales de diferentes tipos y orígenes [27-31], y contaminantes en agua [32,33]).

   Un avance importante en este tipo de dispositivos es dotarlos de comunicaciones inalámbricas y un bajo tamaño y consumo que permita la creación de dispositivos personales de análisis en las diferentes aplicaciones descritas. En este sentido, los smartphones se posicionan como dispositivos de control y de cálculo para las narices electrónicas de pequeño tamaño. Por ello y al igual que otros dispositivos personales como auriculares, pulseras de actividad, relojes, etc. todos ellos incorporan comunicaciones por Bluetooth, al ser una especificación industrial para redes inalámbricas de área personal (WPAN) que permite la transmisión de voz y datos a una distancia reducida.

   Por todo ello, se presenta en esta comunicación una nariz electrónica para la medida de olores y contaminantes de bajo coste, pequeño tamaño y comunicaciones inalámbricas para su control y manejo mediante un Smartphone.

 

2. Materiales y métodos

   A continuación, se va a describir el dispositivo diseñado para la medida de gases diseñado para la detección de gases y contaminantes para su conexión a teléfonos móviles mediante Bluetooth. El aspecto del prototipo se muestra en la figura 1. El dispositivo tiene un pequeño tamaño (cabe en una mano) y consta de 4 sensores de gases además de otro de humedad y temperatura, toda la electrónica de control y medida, así como el módulo encargado de la comunicación con el teléfono móvil. A continuación, se describe la estructura del módulo y el protocolo de comunicación con otros dispositivos.

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Fig. 1. Imagen de la nariz electrónica portátil.

 

 2.1. Estructura del dispositivo

   El sistema cuenta con seis sensores: uno para la humedad, uno para la temperatura y cuatro para la detección de gas. El circuito integrado SHT21 de Sensirion se ha utilizado para medir la humedad y la temperatura. Para la detección de gases se han utilizado los sensores MOS MiCS-4514, MiCS-5526 y MiCS-5914 de Sensortech. El diagrama de bloques del módulo se representa en la Figura 2. El núcleo del sistema es un microcontrolador de alto rendimiento de 8 bits, modelo PIC18F46K80, de Microchip. Consta de hasta 11 canales de entradas analógico/digital (A / D) de 12 bits, 64 kB de memoria de programa, 3648 bytes de RAM, 1024 bytes de EEPROM de datos, 4 módulos de Captura-Comparación-PWM (CCP), 1 módulo de puerto serie síncrono maestro (MSSP), 2 módulos de receptor/transmisor síncrono/asíncrono universal (USART) y una velocidad máxima de operación de 64 MHz.

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Fig. 2. Esquema electrónico de la nariz electrónica propuesta.

   Los acondicionadores de señales y filtros de paso bajo basados en amplificadores operacionales se utilizan para adaptar las señales analógicas de los sensores de gas a las entradas del microcontrolador. Los módulos CCP generan cuatro señales PWM para controlar los elementos calentadores de los sensores de gas a través de transistores bipolares NPN. Las lecturas de humedad y temperatura (en forma digital) se realizan a través de un bus I2C que se controla desde el módulo MSSP. La información de las lecturas de los sensores y otros datos de interés se envían a través del USART a un módulo Bluetooth, modelo RN42VX de Microchip, que se comunica con la aplicación del teléfono inteligente. El sistema está alimentado por una batería de litio recargable externa de 3.7V y una capacidad 600 mAh. El voltaje de la batería se convierte en 3.3 Vdc y 5.0 Vdc por medio de dos convertidores DC / DC de alta eficiencia. Por último, un controlador de gestión de la carga de la batería también se ha incluido en el diseño.

 2.2. Protocolo de comunicación

   Es necesario establecer un protocolo de comunicación entre el módulo sensor y su microprocesador y el teléfono inteligente. La aplicación del teléfono inteligente es la encargada de establecer comunicación con el módulo Bluetooth con el fin de recoger datos. Ésta inicia cualquier transacción con el módulo del sensor, que tiene una función de esclavo. Para establecer la comunicación, algunos comandos son enviados al módulo sensor para recuperar información (lecturas de sensores individuales o globales), o para establecer ciertas acciones (controlar las calefacciones de los sensores, detener el envío de datos o activar algunas pruebas internas). En respuesta, el módulo sensor envía una trama al dispositivo inteligente. Esta trama está compuesta de campos de datos separados por un carácter ASCII ("tabulación horizontal") y terminados con dos caracteres ASCII ("retorno de carro" y "nueva línea"). La información del ciclo de trabajo de la señal PWM utilizada para controlar los elementos calefactores, las lecturas del sensor de gas (con resolución de 12 bits) y la temperatura y la humedad se encapsulan en los campos de datos. Por último, cabe destacar que el software utilizado en los dispositivos inteligentes es la aplicación “Bluetooth SPP Tools Pro”, la cual se encuentra disponible de forma gratuita en la Play Store de Android. Desde él se pueden enviar comandos por Bluetooth a la nariz electrónica.

 2.3. Procesado de datos:

   Los sistemas de detección de contaminantes normalmente están conformados por varias partes, donde la última se corresponde con el procesamiento de los datos recogidos por los dispositivos de medición y almacenados. Estos datos se almacenan en formato de texto para su posterior tratamiento. Éste, normalmente se divide en cuatro etapas: pre-procesamiento de la señal, reducción del número de variables, predicción, y toma de decisión (o validación). Se ha diseñado un programa en Matlab, cuyo entorno permite llevar a cabo el entrenamiento de los sistemas de predicción y clasificación mediante técnicas de inteligencia artificial como redes neuronales artificiales o lógica difusa. Una vez entrenados, se implementan en la memoria del Smartphone o en un servidor para su acceso remoto con objeto de realizar la clasificación de las muestras en tiempo real.

 2.4. Aplicación:

   Se ha diseñado una aplicación en Android para el control del dispositivo que incorpora además la medición de la posición del usuario mediante el GPS del Smartphone, realización de la clasificación de nuevas muestras en tiempo real, indicación en un mapa de la realización de una ruta indicando los valores obtenidos, etc. En la figura 3 se muestran algunas capturas de la aplicación desarrollada.

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Fig. 3. Capturas de la aplicación para el control de la nariz electrónica propuesta

 

 2.5. Protocolo de medidas:

   Con objeto de comprobar el funcionamiento del prototipo diseñado y calcular la capacidad de discriminación de olores, se han realizado una serie de medidas de diferentes compuestos químicos habituales en la industria (Benceno, Etanol, Etilbenceno, Formaldehído, Xileno, Tolueno y Dimetilacetamida). Se ha realizado una disolución del 5% de cada uno de los compuestos en agua y se han llevado 10 mL a un vial de vidrio de 22 mL colocado en un baño térmico a 30ºC. Se realizan un mínimo de 10 medidas de cada compuesto, arrastrando el espacio de cabeza hasta la celda de los sensores con una bomba de aire. Una vez finalizadas todas las medidas se guardan los datos obtenidos para su posterior procesamiento.

 

3. Resultados y discusión

    Una vez realizadas las medidas se realiza el Análisis de Componentes Principales. En el gráfico de la figura 4 se muestran las dos primeras componentes principales. Se observa que las zonas correspondientes a las medidas de los diferentes compuestos están separadas entre sí, salvo algún solapamiento parcial de las zonas de Benceno y Xileno y Formaldehído. Conforme a este análisis se podría afirmar que el sistema ofrece diferente respuesta a las diferentes muestras y sería posible una identificación de los compuestos de cada una de las muestras.

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Fig 4: Análisis de Componentes Principales de las medidas de diferentes COVs

   Los resultados obtenidos en el PCA son confirmados con la clasificación mediante Redes Neuronales de base radial, en el que se ha obtenido un 100% de éxito en la clasificación, es decir todas las muestras han sido correctamente clasificadas empleando validación cruzada de orden uno (Leave One Out).

 

4. Conclusiones

   Se han diseñado una nariz electrónica portátil, de bajo coste, con comunicación inalámbrica y una aplicación para su control con un Smartphone. El dispositivo se ha aplicado con éxito a la discriminación de diversos compuestos químicos responsables de olores y contaminación en el medioambiente, obteniendo un 100% de éxito en la clasificación.

 

5. Referencias

   [1] Engen T: The Perception of Odors. New York, Academia Press, 1982.

   [2] Doty RL: Olfactory communication in humans, Chem Senses 6:351-376, 1981.

   [3] W. Bourgeois and R.M. Stuetz , Measuring wastewater quality using a sensor array: prospects for real-time monitoring. Water Sci. Technol. 41 (2000), pp. 107–112.

   [4] D. Reynolds, Prospects for ‘star wars’ monitoring of water and wastewater quality, WQI January/February, 1999, pp. 12–13.

   [5] J.W. Gardner, P.N. Bartlett, “A brief history of electronic noses”. Sensors and Actuators B, vol. 18-19 (1994), p. 211-220

   [6] T.C. Pearce, J.W. Gardner, W. Göpel, “Strategies for mimicking olfaction: state of the art in electronic noses”. Sensors update, vol. 3 (1997), 62-130. Wiley-VCH, Weinheim, Germany.

   [7] J.W. Gardner, P. Barlett, 1991, “Potential applications of electropolymerised thin organic films in nano-technology”. Nanotechnology, nº 2, 19-33.

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