Sistema de monitoreo automatizado para el cuidado de la salud en ambientes calido-humedo extremos M. en C. Pablo Pancardo García Dr. Francisco D. Acosta Escalante Estudiante Jairo H. Flores de la O Estudiante Augusto A. de la Cruz Jiménez Resumen Se presenta un sistema de monitoreo automatizado de parámetros físicos (temperatura y humedad relativa) empleando una red inalámbrica de sensores. El diseño del sistema considera tanto los requisitos de los usuarios del sistema como la convivencia de nodos heterogéneos. La finalidad del sistema es determinar en cada momento la sensación térmica (resultado de la temperatura y humedad relativa ambientales) de trabajadores portadores de los nodos que conforman la red y poder dar cumplimiento a la norma mexicana que regula los tiempos de exposición y reposo que deben tener los empleados laborando en ambientes con condiciones térmicas elevadas. Los componentes software empleados son de fuente abierta y libre acceso, y han sido adecuados para dar cumplimiento a todas las necesidades. Introducción Las agresiones térmicas intensas pueden tener graves consecuencias sobre el organismo humano, afectando la salud y rendimiento de los trabajadores en áreas laborales. Sobre esta base, es preciso tener una vigilancia individual continua de los posibles riesgos derivados de una jornada laboral en ambientes cálido-húmedo extremos. La existencia de calor constituye una fuente de problemas que, en general, suele traducirse en situaciones de malestar e incomodidad, aunque en ciertas ocasiones, el ambiente térmico puede generar riesgos, tales como: golpe de calor, agotamiento por calor, calambres, desmayos y sarpullidos. Generalmente estas situaciones se relacionan con la existencia de altas temperaturas, humedad y trabajos que impliquen un cierto esfuerzo físico. La tecnología actual para la medición de parámetros físicos ambientales nos ofrece opciones para construir sistemas eficientes que sirvan para monitorear condiciones ambientales. Se habla específicamente de las Redes Inalámbricas de Sensores (RIS) de recursos escasos, las Semana de Divulgación y Video Científico 008 835
cuales se encuentran compuestas de nodos con capacidades de procesamiento, comunicación y medición de condiciones ambientales. Los nodos se pretende que sean físicamente pequeños, móviles y baratos, por tanto, tienen recursos limitados en cuanto a ancho de banda, energía, comunicación inalámbrica, memoria y almacenamiento. Sin embargo, se visualiza a este tipo de redes como una oportunidad para reducir los riesgos para la salud de trabajadores en ambientes calurosos []. El sistema que se propone tiene como finalidad prevenir riesgos sanitarios para los trabajadores debido a periodos largos de exposición a altas temperaturas y humedad (la sensación térmica o temperatura aparente es resultado de la combinación de temperatura y humedad relativa). La hipótesis establece que las mediciones realizadas con el sistema propuesto son tan efectivas como las realizadas con equipo convencional y más eficiente en términos de automatización y conveniencia. En virtud de lo anterior, las características del sistema son convenientes para monitorear los parámetros físicos que requieren ser vigilados y controlados para prevenir y evitar accidentes fatales. Objetivos Diseñar y construir un sistema de monitoreo automatizado de las condiciones ambientales utilizando una red inalámbrica de sensores que considere componentes heterogéneos. Dicho sistema tiene como finalidad contribuir a el cuidado de la salud de los trabajadores en ambientes cálido-húmedo extremos. Materiales y métodos Se ha seleccionado como nodos sensores los módulos Tmote Sky [] con capacidades de medición. La plataforma Tmote Sky consiste de una tarjeta inalámbrica con sensores empotrados. Es una tarjeta basada en el microcontrolador MSP430 con un chip de radio compatible con el estándar 80.5.4 y con un megabyte de memoria flash externa. La humedad y la temperatura es medida empleando el sensor SHT de Sensirion [3]. Los nodos usan dos baterías AA estándares. Para la adquisición de los datos se emplean componentes de fuente abierta programados en nesc [4]. Los flujos de datos de los nodos llegan a la estación base y se utilizan componentes software de TinyOS [4] para convertirlos a un archivo de texto en la estación base. Los usuarios Semana de Divulgación y Video Científico 008 836
pueden acceder a estos datos al descargarlos de la estación base y almacenarlos en sus respectivos equipos, en donde pueden analizarlos. La red de sensores proporciona tres lecturas de medición: humedad, temperatura y voltaje interno. La lectura de voltaje interno es empleada para conocer la cantidad de potencia de batería actual residente en el nodo sensor. Y por tanto, determinar la conveniencia del reemplazo de las baterías cuando el voltaje sea inferior a.6, límite bajo el cual el fabricante de los módulos no garantiza la efectividad de las lecturas. Los módulos usan una frecuencia de radio de.4 GHz, la cual es libre para aplicaciones industriales, científicas y médicas. La frecuencia de radio empleada permite una protección razonable en contra de interferencias dañinas en instalaciones residenciales. El sensor de humedad relativa seleccionado tiene una exactitud de ±% y el sensor de temperatura tiene una exactitud de 0.5ºC. De tal manera, que para los valores esperados el sistema tiene un nivel de confianza asegurado. El sistema comprende estaciones base que contendrán el componente Oscilloscope de TinyOS, el cual ha sido modificado para cumplir con los requerimientos del usuario. Se ha empleado para ello la herramienta MIG (Message Interface Generator) para crear un objetomensaje en Java y de este modo hacer llegar criterios y eventos de interés para el usuario hacia el sistema. Para el manejo de componentes-hardware heterogéneos se ha empleado la especificación de formatos de datos independientes de la plataforma que permite TinyOS mediante el lenguaje nesc. Esta decisión permite que los datos puedan ser fácilmente accedidos y usados independientemente del chip hardware subyacente. En nuestro caso se consideran dos escenarios industriales con altos niveles de humedad y temperatura. Nuestro sistema consiste de nodos portátiles con capacidades para medir la humedad y temperatura ambientales que deben ser portados por cada trabajador durante su jornada de trabajo. Semana de Divulgación y Video Científico 008 837
Resultados El sistema ha sido desplegado en las instalaciones del Campus Chontalpa de la Universidad Juárez Autónoma de Tabasco. Este campus se encuentra ubicado en el municipio de Cunduacán, en el cual existen tanto instalaciones petroleras como proyectos de la industria de la construcción, por tanto, el ambiente es representativo de los dos escenarios destino del sistema. Se ha monitoreado la temperatura y la humedad relativa ambiental. Como se puede apreciar en la Figura y Figura, los datos obtenidos por la red de sensores son muy similares a los obtenidos empleando equipo convencional de medición de parámetros físicos, los cuales carecen de posibilidades de comunicación inalámbrica, dificultades de portabilidad y no pueden ser accedidos vía inalámbrica para modificar los requerimientos en cuanto a los modos de adquisición de los datos o la frecuencia en la obtención de los mismos, por citar dos ejemplos. Figura. Temperatura ambiental obtenida utilizando RIS y equipo tradicional Figura. Humedad relativa obtenida utilizando RIS y equipo tradicional Semana de Divulgación y Video Científico 008 838
Primero se tiene la hipótesis nula mostrada en () y una hipótesis alternativa mostrada en (), donde µ consiste de las mediciones realizadas con un equipo tradicional y µ son las mediciones realizadas con nuestra propuesta de red. H µ = () 0 : µ H µ () : µ Luego, se utiliza la prueba de t-student (3) para contrastar la hipótesis sobre el promedio en poblaciones con distribución normal. t X = (3) s s n X + n Una vez aplicada la prueba de t-student a los datos de la temperatura, humedad relativa y temperatura aparente (sensación térmica) se obtuvo que no hay evidencia en los datos para decir que las mediciones hechas con la RIS sean diferentes a las mediciones realizadas con equipo tradicional. Esta afirmación tiene un porcentaje de validación del 95% con un error marginal del 5%. Por tanto, la hipótesis nula es aceptada y la hipótesis alternativa rechazada. Discusión Después del análisis estadístico de los resultados se puede inferir que la diferencia entre los datos obtenidos con equipo tradicional y los datos obtenidos con la RIS es despreciable. La Tabla muestra las diferencias de los promedios. Mediciones tradicionales y mediciones con la RIS Temperatura Diferencias de los promedios ± 0.ºC Humedad relativa ± 0.63% Temperatura aparente ± 0.7ºC Tabla. Diferencias de los promedios entre mediciones con equipo tradicional y una RIS Semana de Divulgación y Video Científico 008 839
Conclusiones Se proporciona una solución eficiente para el monitoreo de las condiciones ambientales en que se encuentran inmersos los trabajadores durante su jornada laboral, el seguimiento es individualizado, además, la solución considera la existencia de redes heterogéneas. El sistema es una herramienta para dar cumplimiento a la Norma Oficial Mexicana para trabajadores en Condiciones Térmicas Elevadas o Abatidas-Condiciones de Seguridad e Higiene [5]. Referencias Pancardo, P., Dueñas, J.C., SENHOD: Scarce-Resources Wireless Sensor Network for Healthcare in Oil Derricks, Proceedings of the nd WSEAS CEA 08. Acapulco, Mexico, January, 008. Moteiv s Tmote Sky. Disponible en Web. http://www.moteiv.com Sensirion SHT datasheet. Disponible en Web. www.sensirion.com TinyOS. Disponible en Web. http://www.tinyos.net [NOM-05-STPSS-00, Condiciones Térmicas Elevadas o Abatidas-Condiciones de Seguridad e Higiene. Semana de Divulgación y Video Científico 008 840