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Diseño de un sistema de dosimetría ambiental portátil
basado en Internet de las cosas
Rubén Enrique Baena Navarro1[0000-0001-5055-6515], Mario Ramón Macea Anaya2[0000-0002-
4662-7103], Jorge Luis Escobar Reynel2[0000-0001-9625-2701]
1 Universidad Cooperativa de Colombia, Montería - Córdoba 230002, Colombia 2 Universidad de Córdoba, Montería - Córdoba 230002, Colombia
Resumen. Las radiaciones ionizantes forman parte de la vida cotidiana de los
seres vivos, desde el momento mismo que recibimos radiación cósmica prove-
niente del espacio exterior, es por ello que su sobre exposición puede generar
riesgos letales o subletales. Las radiaciones son formas de energía que se emiten
básicamente de dos maneras: partículas y fotónica. Las primeras al interactuar
con la materia ionizan de forma directa, mientras, que las segundas la hacen de
forma indirecta. Este trabajo propone el prototipo de un dispositivo basado In-
ternet de las cosas para cuantificar la dosis de radiación absorbida, teniendo en
cuenta que algunos sistemas de medición son costosos o de uso especializado;
esto permitirá que con los datos recolectados a través del dispositivo en zonas
con abundante radiación cósmica generada por el sol, ayude a las instituciones
gubernamentales de salud a elaborar protocolos de protección radiológica, que
permita disminuir los riesgos una vez que expongan una persona a las radiaciones
naturales.
Palabras Clave: Internet de las Cosas, sensores, microcontrolador, radiación
ionizante, sensor Geiger Müller.
1 Introducción.
Las lesiones en la piel por radiación ionizante representa un problema significativo, el
grado de lesión por radiación está relacionada con la dosis de radiación total, la propor-
ción de cuerpo irradiado, el volumen de los tejidos irradiados, y el intervalo de tiempo
de la dosis de radiación recibida [1], estar expuesto demasiado tiempo a la radiación
ionizante, concurre a la posibilidad de que algunos factores como la dosis de radiación
afecten adversamente al tejido vivo, aún más producirse daños letales dependiendo del
tipo de radiación a la cual es sometido.
La exposición a la radiación ionizante puede proceder de muchas fuentes, tales como
exposición a desechos peligrosos que contienen materiales radiactivos, por ejemplo, la
Agencia de Protección del Medio Ambiente de EE.UU. (EPA) identifica los sitios de
desechos peligrosos más serios, estos sitios constituyen la Lista de Prioridades Nacio-
nales (NPL) y son los sitios elegidos para limpieza a largo plazo por parte del gobierno
2
federal [2]; pero, no se sabe en cuantos de los sitios en este momento en la NPL o que
constituyeron parte de la NPL en el pasado se ha escudriñado la radiación ionizante; en
cuanto se evalúan más sitios, este número se puede acrecentar. Esta información es
importante porque la exposición a la radiación ionizante puede perjudicar a las personas
y estos sitios pueden constituir fuentes de exposición. Estas fuentes de radiación se
pueden dividir en dos categorías principales que son las radiaciones no ionizantes y
radiaciones ionizantes. La radiación no ionizante incluye fuentes naturales de fondo y
fuentes artificiales. El sol es una de las principales fuentes de radiación de fondo. La
mayor contribución a la dosis media recibida por las personas procede de la propia
tierra.
En el subsuelo e incluso en el organismo humano existen grandes cantidades de ura-
nio, torio, entre otros elementos radiactivos que impregnan de radiactividad todo en el
planeta. Igualmente, el uranio, al descomponerse de forma natural, provoca la aparición
del gas radón, que se difunde a través de las grietas y poros del suelo y de los materiales
de construcción, alcanzando el aire que respiramos, siendo especialmente significativa
su influencia en el interior de los edificios, ya que al aire libre se dispersa con más
facilidad [3]. La radiación se puede cuantificar como dosis absorbida o cantidad de
energía de radiación ionizante acumulada por unidad de masa de material irradiado,
cuya unidad en el sistema internacional es el Gray. La energía media depositada a lo
largo del recorrido de una partícula por unidad de longitud se denomina transferencia
lineal de energía (LET). Los rayos X y rayos γ (rayos gamma) son radiaciones de baja
LET. Las radiaciones corpusculares α (alfa), β (beta) y neutrones, son de alta LET. La
distribución de la energía absorbida, en otras palabras, la forma el patrón de deposición
de la energía, influye en el daño biológico de un determinado tipo de radiación. Tam-
bién se cuenta con el concepto de dosis efectiva, que permite comparar el daño bioló-
gico de la dosis absorbida en diferentes órganos o tejidos. La dosis efectiva se puede
estimar utilizando los factores de ponderación de tejidos u órganos, obtenidos a partir
de la sensibilidad de estos a la inducción de tumores por las radiaciones ionizantes [4].
No existe en Colombia un estudio sobre la cuantificación de la dosis de radiación
recibida por las personas cuando se someten a exposiciones solares, conocido como
equivalente de dosis (H), de acuerdo, a la Comisión Internacional de Protección Radio-
lógica (ICRP), por lo que este proyecto se constituye en un gran posibilidad para el
proceso de detección y dosimetría ambiental de radiación, para lo cual se ensamblará
un robot con medidores que facilite cuantificar la dosis de radiación que reciben las
personas cada vez que se exponen al sol, utilizando para ello tecnologías emergentes
como Internet de las Cosas (IoT).
3
2 Marco Teórico.
La radiación puede tener orígenes muy diversos: los rayos cósmicos, la tierra, el cuerpo
humano o el aire que respiramos; tres cuartas partes de la radioactividad que hay en el
medio ambiente proceden de los elementos naturales. A continuación, los grados de
penetración de la radiación ionizante en Fig. 1 [5].
Fig. 1. Poder de penetración en materiales de los distintos tipos de radiaciones. Los rayos alfa (α)
son detenidos solo por una lámina de papel, los rayos beta (β) son detenidos por el cuerpo hu-
mano, los rayos X por una lámina de plomo; y los rayos gamma (γ) son más penetrantes, se
detienen por una gruesa capa de hormigón, por lo tanto, el orden del poder de penetración es: α
< β < X < γ.
En términos de prevención de los riesgos para la salud, se parte del hecho de que
cualquier dosis de radiación ionizante, por baja que sea, puede provocar daños en la
salud, según principio As Low As Reasonably Achievable (ALARA)[6], las exposicio-
nes a radiaciones ionizantes deben ser lo más bajas posibles. Las operaciones de segu-
ridad y las precauciones deben ser tomadas por aquellos que trabajan con fuentes ra-
diactivas perjudiciales sin ningún fallo para garantizar su seguridad y la de otros cerca
de ellos. Sin embargo, tener el equipo adecuado no garantiza la seguridad. En este tra-
bajo se describe como con la utilización de un dispositivo basado en IoT con sensor
Geiger Müller se facilita cuantificar la dosis absorbida que reciben las personas cada
vez que se exponen a las fuentes de radiaciones naturales.
Además de existir en todo lo que nos rodea, las radiaciones ionizantes componen un
elemento esencial para el diagnóstico de las enfermedades del ser humano, pero, a su
vez, es evidente estar al tanto de los efectos biológicos cuando se exceden los valores
límites permisibles. Aunque existe la legislación sobre radiación ionizante en Colom-
bia, las personas del común expuestas en su gran mayoría la desconocen además de las
zonas en ambientes abiertos puedan generar perjuicios a la salud.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 5 10 15 20 25 30
Data A
Data B
4
En Colombia, se presentan pocos estudios concernientes, algunos son en modela-
miento, caracterización y medición [7], se han presentado también análisis de la situa-
ción nacional y propuesta de norma técnico ambiental sobre radiaciones electromagné-
ticas [8, 9]. En ese estudio se expone un análisis sobre la Radiation Protection Associa-
tion (IRPA) frente al tema de la exposición en los ambientes ocupacionales y llegan a
la conclusión de que este valor no debe ser excedido en ningún lugar público u ocupa-
cional.
2.1 Internet de las Cosas (IoT).
Internet de las cosas (IoT) es propuesto en el año de 1999 por Kevin Ashton y tiene
como finalidad el intercambio de información [10]. El inicio de la expresión procede
de la computación ubicua, que se caracteriza por pequeños computadores que se comu-
nican y por su tamaño se integran en casi todos los objetos cotidianos [11], las industrias
han comenzado a darse cuenta del valor de aplicar los conceptos de IoT, por ello bajo
el termino de Internet Industrial, aprovechan los dispositivos, sensores habilitados y los
intermediarios de datos para la conexión de máquina a máquina (M2M) y transmisiones
grandes de datos con las personas [12]. El internet de las cosas aún cuenta con grandes
desafíos que están intrínsecos en sus tres capas: Hardware, Infraestructura, aplicaciones
y servicios [10, 13, 14]. La humanidad está en el umbral de una era de innovación y el
cambio con el apogeo de las tecnologías que permiten el procesamiento en tiempo real,
llegando al punto en que es posible aumentar máquinas físicas con inteligencia digital,
a través del poder de computación avanzada, análisis, detección de bajo costo y nuevos
niveles de conectividad permitidos por Internet, en este sentido, IoT es un paradigma
que considera la presencia omnipresente en el entorno de una multiplicidad de objetos,
junto con los protocolos de comunicación únicos que son capaces de constituir un eco-
sistema interactivo que coopera para crear nuevas aplicaciones, así como servicios y
alcanzar objetivos comunes en ese proceso para crear lo que ahora se llama un mundo
más inteligente que converge en las herramientas que permiten el diseño del prototipo
propuesto en este documento.
2.2 Sensores.
El concepto de la Internet Industrial de las Cosas (IIoT) es presentado como una apli-
cación de la conectividad de la IoT y servicios Web, con un enfoque adicional en las
cuestiones de escalabilidad, confiabilidad seguridad, capacidades predictivas y tecno-
logías de virtualización operativa. Al habilitar la conectividad de grandes cantidades
de sensores se logran recolectar datos de una gran variedad de fuentes tales como: tem-
peratura, luz, sonido, humedad, entre otros de forma mucho más simple, generando un
análisis que permanentemente está buscando la mejora de las operaciones [15]. Los
sensores en IoT son el hardware que permite realizar las mediciones, procesos de mo-
nitoreo y recolección de datos; son uno de los primeros recursos en lo que se piensa al
trabajar con IoT. Los sensores son dispositivos que son comúnmente usados para de-
tectar y responder a las señales eléctricas u ópticas. Un sensor convierte el parámetro
físico (por ejemplo: temperatura, presión sanguínea, humedad, velocidad, UV, Geiger,
entre otros) en una señal que puede ser medida eléctricamente [16]. Los bajos precios
5
de estos pequeños dispositivos mantienen los costos de implantación de IoT asequibles,
pero, en algunos casos dependiendo las necesidades de la solución estos costos pueden
ser superiores.
2.3 Computación en la nube (Cloud Computing).
Es un modelo de tecnología que promueve los servicios de computación (software, pla-
taformas o infraestructura) de un medio tradicional como una computadora personal a
Internet. Estos servicios se dividen en tres grandes categorías: Infraestructura como
servicio (IaaS), plataforma como servicio (PaaS) y software como servicio (SaaS). El
nombre de computación en la nube fue inspirado por el símbolo de nube que se utiliza
a menudo para representar a Internet en imágenes y diagramas de flujos [17].
Alrededor de 50 mil millones de dispositivos estarán interconectados a través de
redes en el año 2020 [18] como se puede apreciar en la Fig. 2. Todos estos dispositivos
se adaptan a los servicios de internet, incluyendo dispositivos pequeños como los sen-
sores que tienen menor almacenamiento, hardware computacional y capacidades de co-
municación se utilizan en IoT como los objetos que pueden obtener los datos mediante
la interacción con los entornos dinámicos vecinos, alrededor de 2,5 trillones de bytes
de datos se generan cada día por las cosas interconectadas ya sea en forma no estructu-
rada o en forma semi estructurada [19]; las entidades informáticas utilizadas en IoT son
tan pequeñas que no están diseñadas para manejar estos datos, en este sentido, el uso
de la computación en la nube suministra un enfoque más avanzado para manejar estos
datos.
Fig. 2. Proyección de IoT por CISCO, en 2020 habrá 50 mil millones de dispositivos interconec-
tados, además 4.100 millones de internautas, el 71% del tráfico IP provendrá de dispositivos
distintos al PC. El vídeo representará el 82% de dicho tráfico.
6
3 Diseño y ensamble del prototipo.
Los componentes que se utilizaron facilitaron la portabilidad del dispositivo y su co-
municación manejando un módulo GSM/GPRS que permite enviar, recibir y compartir
el consumo de los datos de las entidades IoT en tiempo real, almacenando la informa-
ción recolectada en la nube con el uso de FireBase de Google [20]. Se utilizó el entorno
multiplataforma de código abierto NodeJS, basado en el lenguaje de programación EC-
MAScript, en una arquitectura orientada a eventos y el motor V8 de Chrome [21], con-
tribuye a la captura y control de los datos utilizando Cloud Computing, además de la
implementación para las interfaces que interactúan con los usuarios finales y el algo-
ritmo de medición del sensor Geiger, utilizando electrónica digital que concierna para
las variables seleccionadas para ello. NodeJS es licencia del Massachusetts Institute of
Technology (MIT), está es una licencia de software libre permisiva que permite reuti-
lizar software dentro de software propietario.
El entorno Node.js permite un marco de programación para robótica en JavaScript
compatible con Single Board Computer (SBC) que se utilizan en este trabajo, tales
como: Particle Photon microcontrolador IoT en la Fig. 3, que cuenta con certificado por
la Federal Communications Commission (FCC), incluye una plataforma en la nube de
dispositivos, hardware de conectividad e incluso tarjeta SIM para productos celulares,
marca de certificación de Declaración de Conformidad empleada en productos electró-
nicos fabricados o vendidos en los Estados Unidos que certifica que la interferencia
electromagnética del dispositivo está por debajo de los límites aprobados por la Comi-
sión Federal de Comunicaciones / Conformité Européenne o Conformidad Europea
(CE), indica conformidad con las normas de salud, seguridad y protección ambiental
para los productos vendidos dentro del Área Económica Europea (EEE) / Innovation,
Science and Economic Development Canada o ISED, anteriormente Industry Canada
(IC), certificado de aceptación técnica (TAC) para equipos de radiodifusión y radiodi-
fusión de categoría I / Personal Communications Service Type Certification Review
Board (PTCRB), organismo de certificación seleccionado por los operadores celulares
de América del Norte [22] y hardware de código abierto.
Fig. 3. Microcontrolador Particle Photon.
7
El contador Geiger utilizado es el modelo: NetIO contador Geiger GC10 con SBM-
20 en la Fig. 4; los tubos soportados son: SBM-20 (STD), SI-3BG, SI-8B, SI-22G, STS-
6, LND712, LND7317; la máxima cantidad de cuentas por minutos (CPM) es de hasta
240000 (CPM); requiere de dos pilas AA o adaptador de CA (DC 9 V), cuenta con
alarma de tasa de dosis y el puerto de E/S para envío de CPM Puerto UART (5 V nivel
CMOS) cada 1 segundo.
Fig. 4. Contador Geiger GC10 con SBM-20.
Este instrumento permite medir la radiactividad de un objeto o lugar. Debido al vol-
taje positivo del hilo central, son atraídos hacia él, y al hacer esto ganan energía, coli-
sionan con los átomos del gas y liberan más electrones, hasta que el proceso se convierte
en una avalancha que produce un pulso de corriente detectable. Se le llama “contador”
debido a que cada partícula que pasa por él produce un pulso idéntico, permitiendo
contar las partículas, pero sin proporcionar datos acerca del tipo de radiación o sobre
su energía [23].
Se utiliza también el módulo A6 GSM/GPRS Ai en la Fig. 5, que permite que el
Particle Photon pueda utilizarse como un teléfono móvil, y sirve para establecer comu-
nicación con la nube siempre que haya cobertura. Soporta comandos AT y TCP/IP,
posee 2 puertos seriales: uno para descargar y uno para los comandos AT.
Fig. 5. Modulo A6 GSM/GPRS Ai.
8
Estos dispositivos de baja escala y de bajo costo, antes mencionados permiten la
captura de los datos de este trabajo y publicarlos en la nube para su posterior procesa-
miento, pueden ejecutarse fácilmente en Windows, Mac OS X y Linux. En la Fig. 6 se
puede apreciar la arquitectura del sistema propuesto.
Fig. 6. Arquitectura del Sistema de dosimetría ambiental portátil basado en IoT.
En la Fig. 7 se presenta la estructura de conexión de los diferentes dispositivos co-
nectados del prototipo propuesto, previo al proceso de test en laboratorio de sensor
Geiger Müller.
Fig. 7. Arquitectura hardware del sistema de dosimetría.
9
4 Resultados.
Se realizó experimento de electrodos de tungsteno toriado manejados en la soldadura
TIG, que es una soldadura de arco con electrodo de tungsteno y con protección de gas
inerte. Se puede encontrar de esa manera, amarillo representa la presencia de 0,9% a
1,2% de dicho elemento radiactivo, rojo de 1,8% a 2,2% de torio, púrpura entre 2,8% y
3,2% de torio y anaranjado desde 3,8% a 4,2% del elemento. Es importante resaltar que
esos electrodos son los que se utilizan para soldar aluminio y aceros inoxidables [24].
en la tabla 1 se aprecian los valores obtenidos con medidor analógico fabricante
LUDLUM serie No. 307891 modelo 14C calibrado por el Servicio Geológico Colom-
biano (INGEOMINAS) y el dispositivo de este trabajo.
CPM
Lectura
Analoga
μSv/h
Lectura
Analoga
Dis-
tancia
(cm)
CPM
J305B
CF
μSv/h
0,00812
J305B
500 0,5 10 56 0,495
300 0,25 20 31 0,25172
300 0,2 30 24 0,19488
400 0,2 40 28 0,22736
200 0,1 50 20 0,1624
100 0,05 60 9 0,07308
100 0,05 70 7 0,05684
10 0,001 80 6 0,04872
0 0 90 4 0,03248
0 0 100 2 0,01624
Tabla 1. Resultados procedimiento de calibración para exposición de Torio al 2%.
Para los valores de Counts Per Minute (CPM) anteriores, se tiene estadística descrip-
tiva [25] de la tabla 1 para las lecturas realizadas en el proceso de calibración por el
dispositivo utilizado en este trabajo, se presenta en la tabla 2:
VARIABLE VALOR
Torio 2%
Media 18,700
Mediana 14,500
Desviación estándar 16,820
Rango 54,000
Tabla 2. Estadística descriptiva en CPM de las muestras realizadas.
10
En relación a los valores expresados en tabla anterior, el cálculo de nivel de actividad
de radiación ionizante [26] es como se expresa en la ecuación 1 para un tiempo de 120
s para Torio 2%, se expresan sus resultados en la tabla 3.
A(t)=conteos/tiempo (1)
Actividad de Radiación Ionizante VALOR
(18,700 cpm)/(120 s)±(16,820
cpm)/(120 s) 0,155 Bq±0,140 Bq
Tabla 3. Actividad de radiación ionizante con Torio al 2%.
A(t) = Actividad de radiación ionizante.
Bq = Becquerel. Es una unidad derivada del Sistema Internacional de Unidades (SI)
que mide la actividad radiactiva. Un becquerel se define como la actividad de una can-
tidad de material radiactivo con decaimiento de un núcleo por segundo.
Como se puede apreciar del resultado de aplicar la ecuación 1, el valor de radiación
ionizante corresponde a un valor de 18,700 conteos en 120 segundos, lo que da una
actividad de 0,155 Bq y un error asociado a su desviación de 0.140 Bq. Es de considerar
que el Becquerel representa una unidad de actividad demasiado pequeña [27]. Este
resultado puede calificarse de bajo, se observa además que cuenta con valores inferiores
a los 250 mSv conforme a los niveles antes mencionados establecidos por la NRC (Nu-
clear Regulatory Commission). Por último, en la Fig. 8 se presenta el comportamiento
de las lecturas obtenidas en el experimento.
Fig. 8. Comportamiento lectura prototipo de dosimetría.
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0 20 40 60 80 100 120
CF
μSv/h
0,00812
J305B
11
5 Conclusiones.
Se presenta el desarrollo y evaluación de un dispositivo para monitorear radiación io-
nizante utilizando IoT y Cloud Computing. Es posible ensamblar un prototipo funcio-
nal que realice lectura de elementos radiactivos, en este caso la exposición del Torio al
2%, que representaba condiciones seguras para el test experimental. La continuidad de
este proyecto es producir un diseño que cuente con un sistema para su movilidad en
zonas de difícil acceso o que representen condiciones que afecten la salud para las per-
sonas, equipado con sensores que permitan medir variables de presión atmosférica, ra-
diación UV, temperatura, humedad, entre otros para examinar su correlación con la
radiación ionizante.
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