SENSORES LOW COST, ¿PARA QUÉ?

La manía por el control y seguimiento de parámetros y la medición de todo lo que nos rodea ha llegado a todos los ámbitos de nuestra vida. Buena parte de esta tendencia viene comandada por los sensores Low Cost que permiten monitorizar multitud de variables, y la cada vez más intersticial IoT (Internet de las Cosas), que nos da acceso y control sobre estos equipos.

El Medio Ambiente no iba a ser menos, y buena parte de estos sensores Low Cost están empezando a aterrizar en multitud de aplicaciones ambientales. La nueva sensorización de bajo coste, junto a tendencias como el big data, los drones, etc, están dando al control ambiental una nueva vuelta de tuerca que tiene muy buena pinta.

Y es que estos nuevos sensores aportan interesantes utilidades a diversas áreas, y abren nuevas puertas en el control y seguimiento ambiental de los más diversos sectores, permitiendo una extensión del control desconocida hasta el momento, y por consiguiente una mejora en la explotación.

Os pongo a modo de ejemplo, la increíble mejora que puede llegar a generarse con la inclusión de motas sensoras de llenado, posición y temperatura en los cubos de la basura. Propuestas como la que nos ofrecen los amigos de Hirisens, terminan generando un ahorro de costes y una optimización en la gestión de los residuos urbanos espectacular.

Pero cuidado, este control debe estar bien supervisado, y no siempre es así. Estas nuevas sensorizaciones ya están dando también más de un “disgusto”. El timo en el área ambiental se está poniendo también a la orden del día, y no todas las aplicaciones terminan ofreciendo las mejoras vistas en el párrafo anterior, sino que acaban en un armario habiendo supuesto una considerable inversión económica para el pobre crédulo que las compró.
La atracción por la novedad y la “alta tecnología” en las nuevas sensorizaciones, junto con los bajos precios pregonados, empujan a muchos a gastarse un dineral en aplicaciones que no funcionan.

Utilizaremos para analizar este último fenómeno un sector ambiental especialmente complicado, donde últimamente podemos ver auténticas absurdeces. Un sector que por sus características se resiste a facilitar la introducción de redes sensoriales, y que sin embargo experimenta una presión creciente por parte de estos nuevos sistemas para su integración: La Calidad del Aire.



LA MEDICIÓN DE LA CALIDAD DEL AIRE.

Antes de hablar de cómo están aterrizando las nuevas tecnologías de sensorización en el ámbito de la calidad del aire, haremos un pequeño esbozo de cómo está regulado y cómo se ha desarrollado hasta el momento el sector. Esto nos permitirá analizar las dificultades que tiene la introducción de nuevas tecnologías como las que nos incumben.

El control de la calidad del aire se basa en la medición y seguimiento de las concentraciones de contaminantes en el aire que respiramos, en la capa en la que se desarrolla la vida, dentro de la troposfera. Estos contaminantes, una vez que han sido emitidos (emisión), y que se han dispersado en la atmósfera, dan lugar a lo que denominamos “niveles en inmisión”.

Atendiendo a esto, es fácil de entender que en este ámbito se produce el siguiente fenómeno:
  • Las concentraciones son más pequeñas, de µg/m3 o ng/m3, moviéndose en la escala de las ppb (partes por billón), unas mil veces inferiores a las que se pueden dar en un foco de emisión (un tubo de escape, una chimenea, etc), que se miden en ppm (partes por millón) o mg/m3. De lo contrario estaríamos todos muertos ya.

    Medir por tanto estas concentraciones requiere de equipos mucho más precisos y de técnicas mucho más depuradas que las que utilicemos para la medición de contaminantes en la emisión, como es lógico.


  • Son varias, y de muy distintas características, las fuentes que contribuyen a empeorar la calidad de la atmósfera. Es por ello que en el aire que respiramos podremos encontrar un mayor número de compuestos disueltos, con una presencia más heterogénea y variable en el tiempo.

    Este fenómeno se acentúa si tenemos en cuenta que la atmósfera está viva. En el seno de la misma se producen una serie de fenómenos complejos que van más allá de la propia dispersión, degradando los contaminantes primarios emitidos y generando nuevos contaminantes (contaminantes secundarios, como el ozono, e incluso terciarios”).

    Esta heterogeneidad e interrelación entre unas y otras sustancias complica la determinación, existiendo muchas más interferencias, que además son variables en el tiempo, lo que hace que medir la calidad del aire sea un trabajo mucho más complejo y voluble que el que se puede dar en cualquier flujo de emisión.

Por otro lado, y dado que estamos hablando de niveles en inmisión, hemos de pensar cual es el objeto del control y seguimiento de estos parámetros. Sé que parece una obviedad, algo de Perogrullo, pero sin embargo, tal y como veremos más adelante, es algo que se olvida muy fácilmente.

Medimos los niveles de calidad del aire (niveles en inmisión de contaminantes) porque queremos saber cómo pueden afectar a los seres vivos de una comunidad, normalmente a las personas de una zona determinada. Para ello nos interesa saber qué concentración tienen los contaminantes y, en algunas ocasiones incluso, su especiación o características fundamentales (e.g. para las partículas su granulometría o composición, ver artículo “Respirando polvo”).

Dado que queremos conocer la afección a las personas expuestas a estos contaminantes. Sabiendo que la determinación tiene que hacerse durante prolongados periodos de tiempo y en un área concreta. Conociendo que las concentraciones a controlar y estimar como dañinas son muy pequeñas, y teniendo en cuenta además que existe un elevado número de compuestos distintos que pueden interaccionar y generar interferencias. Lo que necesitamos son equipos que midan con una elevada exactitud, que sean lo más precisos posible, y en puntos que sean representativos de un área concreta y adecuada.

Como vemos, medir la calidad del aire no es un tema baladí, y requiere de un rigor especial. Esta es la razón de que incluso la normativa de aplicación en materia de calidad del aire sea tan estricta.

Estación de control de la calidad del aire en Zaragoza - Fotografía propia.


En el caso de España el Real Decreto 102/2011, de 28 de Enero, así como su posterior modificación mediante el Real Decreto 39/2017, de 27 de Enero, son los que establecen los criterios que rigen para todos los casos en la medición y evaluación de la calidad del aire. Criterios que todos los equipos de medición deben cumplir (las reglas del juego para la medición de la calidad del aire).

Las mencionadas normas, de obligado cumplimiento, establecen los siguientes criterios regulatorios fundamentales para la medición de la calidad del aire:
  • Regulan la implantación de los puntos de medición tanto a escala macro como microescalar, hasta el extremo de establecer el número de puntos de medición, o incluso las distancias y alturas mínimas que garantizan la representatividad de la medida.

  • Establecen los criterios de calidad mínima para los datos: niveles de incertidumbre, captura mínima de datos y cobertura temporal realizada.

  • Establecen un Laboratorio Nacional de Referencia (LNR), el Instituto de Salud Carlos III en Madrid.

  • Marcan cuales son los métodos de referencia para la medición de contaminantes, basados en procedimientos científicamente reconocidos, fiables, exactos y basados en normas internacionales (UNE, EN, ISO, EPA).


NO SOY YO, SOS VOS, QUE NO SABES MEDIR.

El hecho de que la normativa marque métodos de referencia es un factor esencial para la incursión de los nuevos “sensores low cost”. Es el factor que muchos fabricantes de sensores alegan como el principal impedimento para que los “sensores low cost” puedan entrar a competir en el mercado clásico de medición de la calidad del aire. La razón fundamental de que muchos fabricantes denuncien que la normativa prescribe técnicas en exclusiva que habría que revisar.

Pues bien, esto es MENTIRA. Si un equipo, sensor, tecnología o técnica de medición no entra a formar parte de la “primera división” de las técnicas de control de la calidad del aire, es porque no sabe medir. No es problema de la normativa europea o española, es que el equipo no cumple con las expectativas de calidad que cabría esperar para medir la calidad del aire.

Y es que, aunque la normativa pueda parecer inamovible en este punto, tal y como algunos pretenden vendernos, no lo es. De esta forma, si bien es cierto que establece métodos de referencia, estos no son los únicos que se pueden utilizar. De hecho, el Real Decreto 201/2011 establece en el punto B de su Anexo VII que “Las autoridades competentes podrán utilizar cualquier otro método si pueden demostrar que generan resultados equivalentes (…) en tal caso los resultados obtenidos con dicho método deberán corregirse para producir resultados equivalentes a los que se habrían obtenido con el método de referencia (…)”.
En Calidad del Aire puedo medir con cualquier técnica o equipo que demuestre que tiene la misma calidad que el método que se establece como de referencia y que pueda corregirse para dar los mismos resultados.

Un caso particular en este sentido, por poner un ejemplo, son las partículas. El método de referencia marca un muestreo de las partículas sobre filtro y una determinación por gravimetría (pesaje diferencial de filtros en los que se depositan las partículas, realizado en balanzas de precisión).

Cabezal de partículas - Fotografía de Brebooks en Flickr
Pero medir de esta forma en continuo es tedioso y muy costoso. Esta es la razón por la que en el mercado surgieron en su día distintos métodos de medición de partículas que permiten medir en continuo y de forma automática (mediante métodos de atenuación de radiación Beta, microbalanza o dispersión láser). Estos sistemas, sin embargo, han tenido y tiene que demostrar su equivalencia con el método de referencia, y hoy en día son tan habituales que hasta la propia Comisión Europea emitió mediante un grupo de trabajo una guía para la demostración de su equivalencia en 2001.

Dicha guía establece que para demostrar su equivalencia los equipos de medición deberán mostrar un coeficiente de regresión superior a R2>0,8 y una constante de intercepción (término independiente de la recta de calibrado) inferior a 5 µg/m3.

Son requisitos estrictos, que incluso equipos oficiales de los más antiguos no pueden llegar a cumplir, pero es la única forma de garantizar que lo que estamos midiendo en concentraciones tan bajas, es lo que realmente queremos medir.

La pregunta aquí es: ¿Hasta dónde llegan los sensores “Low Cost”?. Pues bien, según mi experiencia los mejores sensores montados sobre las motas con menor ruido pueden llegar a aportar una R2 de como mucho 0,6. Y la función de corrección en muchos casos no cumple con lo que cabría esperar respecto a su término independiente, que se encuentra desplazado muchas veces a concentraciones más altas de lo que podríamos considerar como aceptable para medir en continuo la calidad del aire.

Sensor de calidad del aire colcado en una ventana - Fotografía de Intel Free Press.


A este respecto, tan sólo recordar que estoy hablando de intercomparaciones en campo, midiendo en el lugar donde se va a ubicar el equipo y con ejercicios de intercomparación a medio / largo plazo, que es donde se deben calcular estas equivalencias. Y digo esto porque escaso valor tienen aquellas calibraciones que venden muchos fabricantes de motas y sensores, realizadas en campanas de laboratorio, en condiciones ambientales optimas y controladas, y realizando rectas de calibración de poco más que dos o tres puntos para concentraciones de mg/m3 o ppm (muy superiores a las reales).

Otro de los aspectos a considerar es la homogeneidad del dato. Tener un buen histórico de datos que sea coherente, fiable, preciso y homogéneo en el tiempo es la única forma de poder estudiar la calidad del aire en una zona determinada. En este punto la mayoría de los “Sensores Low Cost” también suelen dar más de un disgusto.

La razón es bien sencilla. La mayoría de los nuevos sensores que se venden en la actualidad para la medición de la calidad del aire tienen un triple problema.
  • En primer lugar un escaso periodo de vida útil a la intemperie. Ante este problema muchos fabricantes defienden su viabilidad debido a su bajo precio: “¿Qué más dará lo que dure si no cuesta nada cambiarlo por otro nuevo?”. Con independencia de lo que este planteamiento se parezca a la obsolescencia programada o difiera del concepto de sostenibilidad ambiental, cabe otra pregunta: ¿Qué ocurre con la homogeneidad?, ¿Cómo la garantizo si tengo que andar cambiando de sensor cada año y calculando nuevas rectas?.

  • En segundo lugar, muchos de estos sensores está afectados por factores externos como la humedad, la temperatura u otros interferentes, muchos de los cuales fluctúan considerablemente a lo largo del año pudiendo requerir de distintas escalas de corrección, algo que muy pocos sensores tienen en cuenta.

  • Por último, muchos de estos sensores presentan una degradación progresiva de sus propiedades, hasta terminar midiendo auténticas absurdeces que no son más que puro ruido eléctrico, antes que cualquier cosa parecida a un nivel en inmisión. En este punto, volvemos a hacernos la misma pregunta, ¿cómo puedo considerar homogéneo y fiable un dato que progresivamente se va separando de lo que debería medir?


DOCTOR, NO VALGO NADA.

Antes de que tanto fabricantes de sensores como futuros consumidores entren en una depresión profunda, pensando que estos sensores no valen para nada, intentemos ser constructivos, a la par que realistas.
El hecho de que en calidad del aire no valga cualquier cosa, no significa que cualquier cosa no valga para hacer algo en calidad del aire.

Los actuales sensores “low cost” no arrojan un dato lo suficientemente fiable como para permitir su uso de forma oficial, no sirven para medir la calidad del aire, pero podrían servir para cosas aún más interesantes.

Si pienso en un sensor “low cost” como el medio para sustituir los equipos certificados de una red de calidad del aire, probablemente esté cometiendo un error de bulto importante. Pero si pienso en estos sensores como una forma de extender y ampliar el control de una red de calidad del aire, dentro de un proyecto de mayor entidad, quizás esté dando con el quid de la cuestión.

Sensor de Calidad del Aire - Fotografía de Fotografía de Smart Citizens en Flickr 


Entre la medición oficial de la calidad del aire y la modelización de la misma podría existir un campo intermedio de aplicación que podrían ocupar los nuevos sensores “low cost” de calidad del aire. Un estadio intermedio donde podrían tener un nicho de trabajo importante y que podría servir para mejorar sustancialmente el control de la calidad del aire, un nicho que además, serviría de banco de pruebas para la mejora continua de sus características de medición.

La introducción intersticial de los sensores de bajo coste en las redes de control, y su combinación con el IoT (Internet de las Cosas), la minería de datos y la modelización espacial podría ser la solución idónea para introducirse en el mercado y evolucionar sin perder el necesario rigor que debería tener un asunto tan importante como la calidad del aire, vital para la salud de las personas.
La calidad del aire afecta a la salud de las personas, y esto es lo suficientemente importante como para no andar jugando con equipos que no sabemos lo que miden.

Lo que sí que tengo muy claro, es que las propuestas en las que se han embarcado hasta el momento muchos de estos sensores, así como muchos incautos compradores que han invertido el dinero en ellos, son cuando menos poco prácticas, rozando alguna de ellas lo absurdo.

Por ejemplo, poner a viajar sensores en autobuses de línea para medir la calidad del aire, no se sabe si ocasionada por el propio motor de combustión del autobús, o por los coches que lo rodean durante su trayecto, no parece muy representativo. Ni que decir tiene que poner un sensor en movimiento a circular por la ciudad ya afectaría de por sí a la homogeneidad del dato y sólo serviría para arrojar datos sobre una ruta determinada, y no sobre una zona representativa.

Y en este punto lo mismo da que sea un autobús, un coche, una bicicleta o un peatón, cualquier sensor en movimiento es absurdo y no será más que un carísimo dosímetro personal, financiado en la mayoría de las ocasiones por dinero público. Un sensor que no aportará mayor información que la que se corresponda con la ruta que siga el vehículo en cuestión, datos de los puntos concretos en los que se encuentre el usuario en cada momento, sin considerar su representatividad de la calidad del aire de una zona determinada.

Sensor utilizado en el Proyecto Life - Respira en Pamplona

Pero al que se le hayan ocurrido estas ideas puede estar tranquilo. Siempre hay alguien que puede superar las expectativas, los límites de cualquier acción con atisbos de cordura, y pensar en colocar sensores a las palomas o a unos drones. Y es que, personalmente creo que, poner a volar sensores podría ser una aplicación interesante para cuando a los humanos nos implanten alas y sobrevolemos la ciudad para posarnos en las cornisas. Mientras tanto, quizás la representatividad de la medida, con independencia de cómo mida el propio sensor la contaminación, será cuando menos escasa.

Y es que, tal y como comentábamos antes, tan importante es tener un sensor que mida bien, como colocarlo en un lugar que sea representativo de lo que queremos medir, teniendo en cuenta cuál es el objetivo de la medida. De nada valdría siquiera poner sensores en las farolas de una glorieta si antes no hemos evaluado bien si la calidad del aire que miden es representativa de la que los ciudadanos están respirando.

Comentarios

  1. Un colega me deja en Linkedin un enlace de la WHO a un borrador que se refiere a este tema en concreto y que creo que podría ser muy interesante. Lo comparto en un comentario para que esté a disposición de todos los lectores.

    http://www.wmo.int/pages/prog/arep/gaw/documents/Draft_low_cost_sensors.pdf

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    1. El anterior documento en su versión final http://www.wmo.int/pages/prog/arep/gaw/documents/Low_cost_sensors_post_review_final.pdf

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