Revista Científica Unanchay ISSN 2953-6707
Volumen 1. Número 1. Año 2022.
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Implementación de automatización de apertura en un basurero, en
el distrito metropolitano de Quito
Implement the automation of opening a garbage dump in the metropolitan
district of Quito
Edison Alexander Jiménez Cóndor
1
, Gerardo Moisés Herrera Roldan 2, Yemala
Castillo Brito 3.
Resumen:
Un basurero inteligente es de suma importancia para mantener un correcto orden en
cualquier sitio en el que se encuentre, sobre todo ayuda a mejorar la calidad del medio
ambiente por los desperdicios que se producen día a día, lo que evita que los malos
olores, virus y parásitos se propaguen, a la vez que se minimiza el contacto con el
contenedor. El objetivo de la investigación es automatizar la apertura de un basurero
inteligente por reconocimiento de voz y detección de proximidad optimizando su
funcionamiento. Este estudio se enmarca en el paradigma positivista, descriptivo, con
diseño experimental y del tipo de campo, se utilizó la zona de impacto No. 9 del Distrito
Metropolitano de Quito (DMQ), para ello, se seleccionaron 50 personas como muestra
para la recolección de los datos. Se diseñaron dos basureros eléctricos que se abren
automáticamente, por reconocimiento de voz y un sensor de proximidad, el
reconocedor de voz cuenta con una palabra clave (open-abrir) para su respectiva
apertura, sin embargo, puede ser cambiada según su gusto ya que puede identificar
hasta 80 comandos diferentes. El sensor por proximidad funciona al acercar la mano
o inclusive cualquier objeto a un mínimo de 10 cm de distancia, uno de sus
transductores emite y el otro transmite; a su vez, se implementará un LCD en ambos
basureros que mostrará el estado en el que se encuentran, además, de una pequeña
cuenta regresiva para su respectivo cierre.
Palabras clave: Arduino, automatización, basurero, bioseguridad, electrónica,
inteligente, sensores.
Abstract:
A smart garbage can is of the utmost importance to maintain a correct order in any
place where it is located; above all, it helps to improve the quality of the environment
due to the waste that is produced every day, which prevents foul odors, viruses, and
parasites from spreading while minimizing contact with the container. The research
aims to automate the opening of an intelligent garbage can by voice recognition and
proximity detection, optimizing its operation. This study is part of the positivist,
descriptive paradigm, with an experimental design and the type of field. The impact
1
Tnlgo. en Automatización e Instrumentación.
2 Mg. en electrónica y automatización, https://orcid.org/0000-0001-6761-5227
3 Investigador independiente, Phd. en Educación, https://orcid.org/0000-0002-6500-0744
Autor de correspondencia: gherrera2k1@gmail.com
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zone No. 9 of the Metropolitan District of Quito (DMQ) was used; for this, 50 people
were selected as a sample for the collection. of the data. Two electric garbage cans
that open automatically were designed with voice recognition and a proximity sensor;
the voice recognizer has a keyword (open-open) for its respective opening, howe.
However, it can be changed according to your taste since it can identify up to 80
commands. The proximity sensor will work when you bring your hand closer or even
any object at a minimum of 10 cm away; one transducer emits, and the other transmits;
in turn, an LCD will be implemented in both garbage cans that will show the state in
which they are, in addition to a small countdown for their respective closure.
Keywords: Arduino, automation, biosecurity, dumpster, electronics, sensors. smart,
Historial del artículo
Recibido para evaluación: 31 octubre 2022.
Aprobado para publicación: 15 noviembre 2022
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Introducción
Hoy en día, la humanidad completa se está enfrentando a una realidad totalmente
diferente, tanto en avances tecnológicos como en el aspecto contaminante, se puede
afirmar que el humano ha contribuido con grandes inventos que han mejorado su
calidad de vida, más aún, en el campo tecnológico el cual, ha tenido gran impacto en
el mundo entero. Por el contrario, el los humanos se han encargado de crear un sin
número de tragedias ambientales, por ejemplo, los contaminantes y como resultado
la presencia y transmisión de virus y bacterias, tal es el caso del SARS CoV-2 que,
en estos últimos años, afectó y sigue afectando a millones de personas.
Dentro de esta nueva era, los impactos ambientales negativos, se basan
principalmente en aquellas actividades que los seres humanos realizan día tras día,
como resultado se enfrenta a diversas enfermedades e infecciones que podrían ser
mortales, como es el caso del virus llamado Covid-19, los cuales generalmente son
transmisibles por contacto directo e indirecto (Farzan, 2020). Pese a que existen
distintas maneras de contagio de virus y bacterias, hay que considerar los basureros
y más aún los públicos, por lo que se sugiere tener el menor contacto con los
basureros tradicionales.
Las ciudades inteligentes necesitan contenedores de basura inteligentes para
alcanzar una gestión óptima de la basura, según Zhu et al. (2019), esta administración
mejoraría los niveles de salud de la ciudadanía. El tratamiento inteligente de la basura
urbana es un componente importante de la creación de una ciudad inteligente y
también resuelve varios problemas asociados con disposición de la basura. Muchos
basureros tradicionales se distribuyen ampliamente, lo que resulta en un desperdicio
de recursos humanos y materiales.
En este contexto, Zhu, et al. (2019) proponen un sistema inteligente basado en la
computación de borde y el Internet de las cosas de banda estrecha (NB-IoT) para
monitorear contenedores de basura inteligentes (STC). Los botes de basura
inteligentes desplegados se distribuyen por toda la ciudad y están equipados con una
variedad de sensores, incluidos: el de compresión, de ubicación, infrarrojos y de
alarma. Los datos enviados desde los contenedores inteligentes se procesan
previamente a través de nodos de borde para la clasificación de datos y la transmisión
de prioridad, lo que reduce el ancho de banda de transmisión de red requerido, y las
tareas computacionales en el centro de datos centralizado.
Es importante destacar, que el NB-IoT es una tecnología de comunicación de
banda estrecha con bajo consumo de energía, amplia cobertura, bajo costo y gran
capacidad. Los resultados experimentales demostraron que el sistema STC tiene un
buen rendimiento y permite una gestión de la basura en las ciudades inteligentes.
Así mismo, Rahmayanti, Syani & Oktaviani, (2019), propuso crear un bote de
basura que pudiera determinar el tipo de residuo a desechar y disponerlo
automáticamente en el barril adecuado para ser implementado en una ciudad
inteligente basada en Arduino y Android, ya que el gobierno proporciona diferentes
botes de basura para que las personas puedan clasificar la basura según su tipo y de
esta manera poder reciclar los desechos. Sin embargo, hay algunas personas que no
cuentan con la información sobre en qué tinajas tienen que arrojar la basura, por lo
que al final la desechan en cualquier barril.
Dada las circunstancias actuales se hace necesario establecer un medio de
bioseguridad para precautelar la salud de la población y una ellas son, crear un
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basurero de apertura automática (basurero inteligente), siendo una actividad
novedosa implementando la automatización de la misma en la ciudad de Quito.
De acuerdo a lo expuesto, en la investigación se planteó como objetivo general,
automatizar la apertura de un basurero inteligente por reconocimiento de voz y
detección de proximidad optimizando su funcionamiento, y para lograrlo se proponen
los siguientes objetivos específicos:
● Diagnosticar la necesidad de construir un basurero inteligente por
reconocimiento de voz y detección de proximidad, disminuyendo el contacto
físico y el contagio de enfermedades.
● Diseñar un software para la apertura de un basurero inteligente por
reconocimiento de voz y detección de proximidad, utilizando Proteus.
● Programar un software que permita el funcionamiento del basurero inteligente
por reconocimiento de voz y detección de proximidad, usando Arduino Studio.
Metodología
La presente investigación está enmarcada en un paradigma positivista, dado que
se realizó “siguiendo un proceso secuencial, organizado y riguroso para comprobar
una hipótesis o responder la pregunta de investigación de manera objetiva” (p. 12),
según lo sugerido por Castillo, Gómez, Taborda y Mejía (2021). Igualmente, el nivel
de la investigación es descriptivo, ya que según los autores mencionados estos
proyectos “miden la variable de estudio de manera independiente, centrándose en
develar información acerca del qué, cómo, cuándo y dónde ocurre el fenómeno
investigado para realizar una caracterización o descripción completa del mismo” (p.
15).
El diseño es experimental, ya que la investigación se llevó a cabo con la
manipulación de variables y la experimentación con las pruebas de la automatización,
y el tipo es de campo, ya que se recolectaron los datos directamente de los sujetos
investigados.
Para la muestra se consideró en la investigación la zona de impacto No. 9 del
Distrito Metropolitano de Quito (DMQ), por la cantidad de personas que residen en el
mismo se considera una población infinita, por lo que se calculó la muestra con la
fórmula propuesta por Arias y Covinos (2021), resultando 50 personas.
Se utilizó como técnica, la encuesta, a la que (Hernández & Chacón, 2019, pág.
14) la definen como una “técnica primaria de obtención de información sobre la base
de un conjunto, objetivo, coherente y articulado de preguntas, que garantizaron que
la información proporcionada por una muestra pueda ser analizada”. Se elaboraron
ocho 8 preguntas con el propósito de reunir los datos requeridos y proceder a realizar
su respectivo análisis. Las preguntas tienen un orden y contienen las opciones de
respuestas para seleccionar la que consideren pertinente y se presenta a
continuación en el recurso en línea (Jiménez, 2022a).
Es importante mencionar que el instrumento fue validado por tres expertos en
el área temática, quienes se encargaron de revisarlo y aprobarlo, para luego ser
aplicado empleando la herramienta Google forms. Dado que la investigación se centró
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en el enfoque cuantitativo, los datos obtenidos se analizaron empleando la estadística
descriptiva, y los resultados se presentaron mediante tablas de frecuencia.
Resultados
Los resultados reflejan de forma clara, objetiva e imparcial los hallazgos obtenidos
en el proceso de investigación, en concordancia con cada objetivo específico
planteado, logrando cumplir con el objetivo general, apoyados con representaciones
gráficas y el análisis estadístico. Es importante mencionar que para el desarrollo de
la investigación se procedió a ejecutar las fases descritas a continuación:
1. Investigación previa para poder definir y evaluar el mejor método de construcción
del basurero inteligente con respecto al circuito.
2. Investigación de comandos para la construcción del programa que servirá como
base para el microcontrolador del basurero inteligente.
3. Simulación en Proteus del circuito para comprobar su correcto funcionamiento.
4. Búsqueda de materiales de distintos proveedores para evaluar los mejores
precios.
5. Construcción y verificación física del funcionamiento del circuito.
6. Ensamblaje del basurero inteligente.
Resultados del diagnóstico / diseño
El diagnóstico se realizó a través de una encuesta, donde se obtuvieron los
resultados descritos a continuación:
Con respecto al género de las personas no hubo diferencias significativas dado
que el 50% de los encuestados fueron mujeres y el otro 50% hombres. El 30% de los
encuestados tiene ocupación de vendedor y el 20% son choferes, el resto está
repartido equitativamente entre costurera, albañil, deportistas y personal de
seguridad. A la pregunta de dónde arrojan la basura, el 60 % de las personas
afirmaron que la arrojan en el basurero, el 30% en un tacho de basura, y el 10% en
un contenedor, así mismo, el 90% indica siempre arrojar los desechos al basurero.
De igual manera, 90% afirmó tener contacto con el basurero y por esto consideran
estar en riesgo de contraer bacterias.
Por su parte, el 100% de los encuestados manifestaron que les agradaría tener un
basurero inteligente, el 90% de las personas piensan que un basurero con apertura
automática disminuiría el contagio de bacterias, hongos, virus y parásitos. Igualmente,
el 70% mostró preferencia por el basurero con apertura por reconocimiento de voz y
el resto prefieren un basurero con apertura por aproximación.
Por lo tanto, para el software que realice la apertura de un basurero inteligente, se
procedió en primera instancia a elaborar un diseño para su funcionamiento, tanto con
reconocedor de voz como con sensor de proximidad. Con respecto al primer caso, se
inicia el reconocedor de voz con el Arduino, luego el usuario ejecuta los comandos de
voz, mientras el equipo está en un ciclo de espera por recibir órdenes de voz, después
el equipo, verifica el comando de abrir, para lo cual, ordena el encendido del
servomotor, éste abre la tapa del basurero, y posteriormente espera 3 segundos para
ordenar con el servomotor cerrar la tapa, mientras un display LCD muestra los
segundos que resta abierto, y finalmente, espera por una nueva orden de voz. Este
proceso se representó a través del diagrama de flujo como se observa en la Figura 1.
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Figura 1
Diagrama de funcionamiento del basurero con reconocedor de voz
Fuente: Elaboración propia de los autores (2022).
Así mismo, se analizó el proceso para el funcionamiento del basurero con sensor
de proximidad, en este caso, inicia el reconocedor de proximidad con el Arduino, luego
el usuario se acerca al basurero encontrándose a una distancia de 10 cm, mientras el
equipo está en un ciclo de espera por un obstáculo frente al basurero de 10 cm, luego
el equipo, verifica la distancia máxima de 10 cm al obstáculo, y ordena encender el
servomotor, el cual, abre la tapa del basurero, y posteriormente espera 3 segundos
para concretar con el servomotor cerrar la tapa, mientras simultáneamente un display
LCD muestra los segundos restantes con la tapa abierta, y finalmente espera por un
nuevo obstáculo a la distancia máxima mencionada. Este proceso se representa en
el siguiente diagrama en la Figura 2.
Figura 2
Diagrama de funcionamiento del basurero con sensor de proximidad
Fuente: Elaboración propia de los autores (2022).
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Es importante mencionar, que al ensamblar el equipo se observó que en algunas
oportunidades se colgaba el programa, por lo hubo que crear unos tiempos de espera
(delay) para que existiera una comunicación bidireccional entre el reconocedor de voz
y el Arduino.
Una vez finalizado el diseño, se procedió a realizar una simulación electrónica del
basurero inteligente antes de ensamblar, para este fin se utilizó el programa Proteus,
que permitió verificar la funcionalidad de los requerimientos. Estos resultados pueden
observarse en la Figura 3, usando un sensor de proximidad y también en la Figura 4,
empleando reconocimiento de voz, igualmente se encuentra el programa en el
repositorio Github (Jiménez, 2022b).
Figura 3
Diagrama de simulación del basurero con sensor de proximidad en Proteus
Fuente: Elaboración propia de los autores (2022).
Seguidamente, una vez que fueron verificadas las funcionales en el simulador, se
procedió a realizar el presupuesto para construir el basurero inteligente, considerando
los costos de producción, siendo éstos con los renglones de costos directos,
indirectos y mano de obra, calculando un monto de aproximadamente $200 por
basurero a programar.
Figura 4
Diagrama de simulación del basurero con reconocedor de voz en Proteus
Fuente: Elaboración propia de los autores (2022).
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Para la programación del software de control del basurero inteligente se consideró
Arduino Studio, utilizando las librerías de Lenguaje C++ propuestas para tal fin. La
tecnología desarrollada cuenta un programa para la apertura automática de detección
de proximidad y uno con reconocimiento de voz y de esta manera se disminuye
considerablemente el contacto físico persona – basurero. El programa desarrollado
se encuentra en el repositorio de versiones GitHub, en el siguiente enlace (Jiménez
& Herrera, 2022a).
Pruebas en la implementación
Es importante mencionar que, durante las pruebas del programa para medir la
funcionalidad, se identificó que el servomotor que levanta y cierra la tapa del basurero
de 9,4 Kg/cm2, no cumplió con las expectativas por lo que se requirió sobrecargar
aplicando seis (6) voltios con lo que se obtienen 11 Kg/cm2. aunque mejoró la
velocidad con la que manipula la tapa, no se adquirió la fuerza suficiente para lograr
el objetivo planteado. En la Figura 5, se muestra el prototipo ensamblado.
Figura 5
Producto terminado del basurero con reconocedor de voz
Fuente: Fotografía tomada por los autores (2022).
Por último, se elaboró un manual para el uso correcto del software, el cual tiene
como finalidad mostrar las bondades y funcionalidades de la aplicación, una guía de
cómo usarla, y donde se explica cada elemento que se visualiza en el mismo. Este
manual se encuentra alojado en el siguiente repositorio (Jiménez & Herrera, 2022b).
Discusión
En la investigación se procedió a construir el programa para el basurero con
algoritmos para la apertura por reconocimiento de voz y con sensor por aproximación
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utilizando Android studio, tal como lo propusieron Azmi, William, Salim, Hartanto, &
Tham (2019), quienes desarrollaron botes de basura inteligentes con un sensor de
proximidad (ultrasónico) para detectar la altura de la basura, el sensor PIR (Passive
Infra Red) para detectar la presencia humana y Arduino como centro de
procesamiento de datos.
Igualmente, Verma & Shukla (2021), crearon un sistema de monitoreo de
basura para mejorar la gestión de los desechos y aumentar la limpieza en la sociedad,
utilizando Smart Trash Can con un sensor ultrasónico Arduino, tal como se realizó en
esta investigación, sin embargo, le adicionaron un detector de incendios.
Conclusiones
Una vez concluida la investigación, se logró identificar, en primera instancia, que el
basurero inteligente tiene una gran aceptación por parte del público y lo consideran
muy atractivo a la hora de depositar los diferentes tipos de desechos, ya que
disminuye el contacto físico al tratar de abrir la tapa del tacho, todo ello, debido a que
la apertura se realizará mediante reconocimiento de voz y por detección de
proximidad. También cuenta con un display (LCD) que muestra el estado en el que
se encuentra el basurero. Este tipo de proyectos se ha hecho muy importante en los
últimos tiempos dado que apunta al mejoramiento del medio ambiente empleando con
el avance tecnológico en las ciudades.
Con respecto al diseño, se puede indicar que se observó una discrepancia entre lo
simulado y el prototipo ensamblado. En lo atinente a la situación presentada con el
servomotor se recomienda insertar en la placa del basurero un divisor de voltaje o un
reductor de voltaje para que se utilice una sola fuente de poder de 6v, ya que se tendrá
que repartir los 5v en el Arduino y los 6v en el servomotor en caso de utilizar el modelo
MG996R y no tenga la suficiente fuerza de torque para abrir la tapa del basurero.
según lo indicado por Ali et al. (2022), dado que describen el proceso de seleccionar
adecuadamente el servomotor.
Declaración de conflicto de intereses
Esta investigación fue autofinanciada.
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