GNX Project v.2 : módulo de control programable inalámbricamente para aplicaciones de telemetría, telecontrol y posicionamiento vía satélite

El objetivo del presente proyecto es la implementación física de un dispositivo de control integrado reprogramable sin necesidad de PC ni conocimientos de programación, destinado a la realización de multitud de tareas cooperativas definidas por el usuario. La orientación del dispositivo será de general, es decir, no se encontrará focalizado a un único ámbito de aplicación, sino que se persigue un sistema polivalente que pueda ser orientado tanto al control domótico como a su implementación en vehículos u otros dispositivos, así como sistema de adquisición de datos y logger GPS. El sistema constará de un Módulo Principal basado en la plataforma Arduino, que dispondrá de los siguientes: GPS, Bluetooth, Almacenamiento flash removible, GSM/GPRSS, Conectividad por Radiofrecuencia. A este módulo se conectarán diversos sensores y actuadores que serán controlados y configurados por medio de una aplicación diseñada para dispositivos Android. A fin de facilitar su aplicabilidad a áreas de mayor extensión, se plantea como parte del objetivo del presente proyecto el diseño e implementación de otros módulos de reducidas dimensiones ubicados remotamente y en constante comunicación con el Módulo Principal, al que se le podrá conectar los mismo periféricos (sensores y actuadores) que el Módulo Principal, los cuales serán gestionado por éste.Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industria

Contribución al campo del IoT mediante el desarrollo de sensores inteligentes basados en espectrofotometría de longitud de onda variable. Aplicación a la monitorización en continuo de la carga contaminante en aguas residuales urbanas

[SPA] Conocer la evolución de la carga contaminante de la red de saneamiento es clave para un control más fehaciente de la misma, especialmente durante episodios de lluvia intensa debido al riesgo de desbordamiento de la red, lo que puede implicar el vertido de una alta concentración de contaminantes al medio receptor.Tradicionalmente, el estudio de la evolución de la carga contaminante es llevado a cabo mediante la toma de muestras puntuales que son analizadas en laboratorio, lo que imposibilita llevar a cabo una monitorización en tiempo real. No obstante, en las últimas décadas se han llevado a cabo diversos estudios que ponen de manifiesto la capacidad de caracterizar ciertos parámetros contaminantes a partir de mediciones indirectas, basadas en la espectroscopia de absorción molecular, como es el caso de un espectrofotómetro para un rango amplio de longitudes de onda o de un medidor de turbidez para una única longitud de onda. Actualmente ya se están comercializando equipos que por medio de un análisis espectrofotométrico basado en lámparas de xenón, estiman ciertos parámetros de contaminación como la DQO o la concentración de nutrientes sin necesidad de reactivos o pretratamientos.A pesar del avance que este tipo de sistemas representan, el uso de lámparas halógenas o de xénon para la generación del espectro de trabajo puede representar también una limitación a la hora de desarrollar equipos de bajo coste, dimensiones y consumo que puedan operar de forma autónoma en la red.La presente tesis doctoral, realizada en colaboración con la empresa HIDROGEA gracias a una beca para la Formación del Personal Investigador (FPI) de la Fundación Séneca, se centra en el diseño e implementación de una nueva generación de equipos inteligentes basados en espectrofotometría LED, para el análisis en tiempo real de una amplia variedad de parámetros contaminantes presentes en las aguas residuales que recorren las redes de saneamiento, mediante diversos modelos de estimación.Esto se ha concretado en el desarrollo de dos equipos de bajo coste, unopara su uso en laboratorio, el cual se ha denominado Espectrofotómetro Desktop, y otro para su uso en la red de saneamiento, como un equipo autónomo capaz de llevar a cabo la adquisición, caracterización, almacenamiento y envío de la información de las muestras de agua en un corto periodo de tiempo a la nube. Además, se han calculado diversos modelos matemáticos para la estimación de la DQO, DBO5, SST, P, NT, NO3−N a partir de la respuesta espectral de las muestras, con una alta precisión y sin necesidad de químicos o pretratamientos.Se trata de una tesis con un enfoque multidisciplinar, desarrollada bajo la supervisión de dos grupos de investigación de la Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT). Por una parte, la División de Innovación en Sistemas Telemáticos y Tecnología Electrónica (DINTEL) y por otra, el grupo de investigación en Ingeniería Hidráulica Marítima y Medio Ambiental (Hidr@m) de la UPCT, que desarrolla su trabajo en la investigación aplicada en sistemas de abastecimiento y saneamiento y,en especial, en el estudio del transporte de contaminantes así como la monitorización y el estudio de las medidas de remediación en redes de saneamiento. [ENG] Conocer la evolución de la carga contaminante de la red de saneamiento es clave para un control más fehaciente de la misma, especialmente durante episodios de lluvia intensa debido al riesgo de desbordamiento de la red, lo que puede implicar el vertido de una alta concentración de contaminantes al medio receptor.Tradicionalmente, el estudio de la evolución de la carga contaminante es llevado a cabo mediante la toma de muestras puntuales que son analizadas en laboratorio, lo que imposibilita llevar a cabo una monitorización en tiempo real. No obstante, en las últimas décadas se han llevado a cabo diversos estudios que ponen de manifiesto la capacidad de caracterizar ciertos parámetros contaminantes a partir de mediciones indirectas, basadas en la espectroscopia de absorción molecular, como es el caso de un espectrofotómetro para un rango amplio de longitudes de onda o de un medidor de turbidez para una única longitud de onda. Actualmente ya se están comercializando equipos que por medio de un análisis espectrofotométrico basado en lámparas de xenón, estiman ciertos parámetros de contaminación como la DQO o la concentración de nutrientes sin necesidad de reactivos o pretratamientos.A pesar del avance que este tipo de sistemas representan, el uso de lámparas halógenas o de xénon para la generación del espectro de trabajo puede representar también una limitación a la hora de desarrollar equipos de bajo coste, dimensiones y consumo que puedan operar de forma autónoma en la red.La presente tesis doctoral, realizada en colaboración con la empresa HIDROGEA gracias a una beca para la Formación del Personal Investigador (FPI) de la Fundación Séneca, se centra en el diseño e implementación de una nueva generación de equipos inteligentes basados en espectrofotometría LED, para el análisis en tiempo real de una amplia variedad de parámetros contaminantes presentes en las aguas residuales que recorren las redes de saneamiento, mediante diversos modelos de estimación.Esto se ha concretado en el desarrollo de dos equipos de bajo coste, unopara su uso en laboratorio, el cual se ha denominado Espectrofotómetro Desktop, y otro para su uso en la red de saneamiento, como un equipo autónomo capaz de llevar a cabo la adquisición, caracterización, almacenamiento y envío de la información de las muestras de agua en un corto periodo de tiempo a la nube. Además, se han calculado diversos modelos matemáticos para la estimación de la DQO, DBO5, SST, P, NT, NO3−N a partir de la respuesta espectral de las muestras, con una alta precisión y sin necesidad de químicos o pretratamientos.Se trata de una tesis con un enfoque multidisciplinar, desarrollada bajo la supervisión de dos grupos de investigación de la Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT). Por una parte, la División de Innovación en Sistemas Telemáticos y Tecnología Electrónica (DINTEL) y por otra, el grupo de investigación en Ingeniería Hidráulica Marítima y Medio Ambiental (Hidr@m) de la UPCT, que desarrolla su trabajo en la investigación aplicada en sistemas de abastecimiento y saneamiento y,en especial, en el estudio del transporte de contaminantes así como la monitorización y el estudio de las medidas de remediación en redes de saneamiento. Knowing the evolution of the pollutant load of the sewer network is key for a more reliable control, especially during episodes of heavy rainfall due to the risk of overflowing, which could involve the discharge of a high concentration of pollutants into the receiving water bodies. Traditionally, this study is carried out by taking point samples that are analysed in the laboratory, which makes it impossible to carry out real-time monitoring. However, in recent decades, studies have begun to emerge that show that it is possible to measure certain pollutant parameters using indirect measurements based on molecular absorption spectroscopy, such as a spectrophotometer for a wide range of wavelengths or a turbidity meter for a single wavelength. Currently, equipment is already on the market that, by means of a spectrophotometric analysis based on xenon lamps, estimate certain parameters such as COD or nutrient concentration without the need for reagents or pre-treatment. Despite the progress that this type of system represents, the use of halogen or xenón lamps for the generation of the working spectrum represents a limitation when it comes to developing low-cost, low-dimension and low-consumption equipment that can opérate autonomously in the network. This doctoral thesis, carried out in collaboration with the company HIDROGEA thanks to a grant for the Training of Research Personnel (FPI) from the Seneca Foundation, focuses on the design and implementation of a new generation of intelligent equipment based on LED spectrophotometry, for the real-time analysis of a wide variety of pollutant parameters present in the wastewater along the sewer networks, by means of various estimation models. This has resulted in the development of two low-cost devices, one for laboratory use, called Desktop Spectrophotometer, and the other for use in the sewerage network, as a standalone device capable of acquiring, characterising, storing and sending the information from the water samples in a short period of time to the cloud. In addition, several mathematical models have been calculated for the estimation of COD, BOD5, TSS, P, NT, NO3 −N from the spectral response of the samples, with high accuracy and without the need for chemicals or pre-treatment. This is a thesis with a multidisciplinary approach, developed under the supervision of two research groups of the Polytechnic University of Cartagena (UPCT). On the one hand, the Division of Innovation in Telematic Systems and Electronic Technology (DINTEL) and on the other hand, the research group in Hydraulic, Maritime and Environmental Engineering (Hidr@m) of the UPCT, which develops its work in applied research in supply and sanitation systems and, in particular, in the study of the transport of pollutants as well as the monitoring and study of remediation measures in sanitation networks.Escuela Internacional de Doctorado de la Universidad Politécnica de CartagenaUniversidad Politécnica de CartagenaPrograma de Doctorado en Tecnologías Industriale

Wastewater quality estimation through spectrophotometry-based statistical models

Local administrations are increasingly demanding real-time continuous monitoring of pollution in the sanitation system to improve and optimize its operation, to comply with EU environmental policies and to reach European Green Deal targets. The present work shows a full-scale Wastewater Treatment Plant field-sampling campaign to estimate COD, BOD5, TSS, P, TN and NO3-N in both influent and effluent, in the absence of pre-treatment or chemicals addition to the samples, resulting in a reduction of the duration and cost of analysis. Different regression models were developed to estimate the pollution load of sewage systems from the spectral response of wastewater samples measured at 380-700 nm through multivariate linear regressions and machine learning genetic algorithms. The tests carried out concluded that the models calculated by means of genetic algorithms can estimate the levels of five of the pollutants under study (COD, BOD5, TSS, TN and NO3-N), including both raw and treated wastewater, with an error rate below 4%. In the case of the multilinear regression models, these are limited to raw water and the estimate is limited to COD and TSS, with less than a 0.5% error rateThe authors wish to thank the financial support received from the Seneca Foundation of the Región de Murcia (Spain) through the program devoted to training novel researchers in areas of specific interest for the industry and with a high capacity to transfer the results of the research generated, entitled: “Subprograma Regional de Contratos de Formación de Personal Investigador en Universidades y OPIs” (Mod. B, Ref. 20320/FPI/17)

Spectroscopy transmittance by LED calibration

Local administrations demand real-time and continuous pollution monitoring in sewer networks. Spectroscopy is a non-destructive technique that can be used to continuously monitor quality in sewers. Covering a wide range of wavelengths can be useful for improving pollution characterization in wastewater. Cost-effective and in-sewer spectrophotometers would contribute to accomplishing discharge requirements. Nevertheless, most available spectrometers are based on incandescent lamps, which makes it unfeasible to place them in a sewerage network for real-time monitoring. This research work shows an innovative calibration procedure that allows (Light-Emitting Diode) LED technology to be used as a replacement for traditional incandescent lamps in the development of spectrophotometry equipment. This involves firstly obtaining transmittance values similar to those provided by incandescent lamps, without using any optical components. Secondly, this calibration process enables an increase in the range of wavelengths available (working range) through a better use of the LED's spectral width, resulting in a significant reduction in the number of LEDs required. Thirdly, this method allows important reductions in costs, dimensions and consumptions to be achieved, making its implementation in a wide variety of environments possible.This research was funded by Seneca Foundation of the Región de Murcia (Spain) and “Hidrogea, Gestión Integral de Aguas de Murcia S.A”. Authors wish to thank the financial support received from the Seneca Foundation of the Región de Murcia (Spain) through the program devoted for training of novel researchers in areas of specific interest for the industry and with a high capacity to transfer the results of the research generate entitled: “Subprograma Regional de Contratos de Formación de Personal Investigador en Universidades y OPIs” (Mod. B, Ref. 20320/FPI/17).Authors wish to thank the financial support received from the Seneca Foundation of the Región de Murcia (Spain) through the program devoted for training of novel researchers in areas of specific interest for the industry and with a high capacity to transfer the results of the research generate entitled: “Subprograma Regional de Contratos de Formación de Personal Investigador en Universidades y OPIs” (Mod. B, Ref. 20320/FPI/17)

Performing calibration of transmittance by single rgb-led within the visible spectrum

Spectrophotometry has proven to be an effective non-invasive technique for the characterization of the pollution load of sewer systems, enabling compliance with new environmental protection regulations. This type of equipment has costs and an energy consumption which make it difficult to place it inside a sewer network for real-time and massive monitoring. These shortcomings are mainly due to the use of incandescent lamps to generate the working spectrum as they often require the use of optical elements, such as diffraction gratings, to work. The search for viable alternatives to incandescent lamps is key to the development of portable equipment that is cheaper and with a lower consumption that can be used in different points of the sewer network. This research work achieved the following results in terms of the measured samples: First, the development a calibration procedure that enables the use of RGB-LED technology as a viable alternative to incandescent lamps, within the range of 510 to 645 nm, with high accuracy. Secondly, demonstration of a simple method to model the transmittance value of a specific wavelength without the need for optical elements, achieving a cost-effective equipment. Thirdly, it provides a simple method to obtain the transmittance based on the combination of RGB colors. Finally its viability is demonstrated for the spectral analysis of wastewater.The authors are grateful for the financial support received from the Seneca Foundation of the Región de Murcia (Spain) through the program devoted to training novel researchers in areas of specific interest for the industry and with a high capacity to transfer the results of the research generated, entitled: “Subprograma Regional de Contratos de Formación de Personal Investigador en Universidades y OPIs” (Mod. B, Ref. 20320/FPI/17)

Diseño e implementación de un sistema de control automático programable para aplicaciones de telemetría, telecontrol y posicionamiento vía satélite

[ESP] Existen diversas situaciones en las que se precisan de sistemas de control a fin automatizar determinados procesos o desempeñar tareas concretas. Por ello se plantea el diseño e implementación de un módulo hardware programable por medio de un Smartphone con posibilidad de ser configurado por el usuario conforme a sus necesidades de una manera simple y sin precisar de conocimientos en programación o automática. El sistema es fácilmente orientable a diversas tareas tales como domótica, control y seguridad, gestión de invernaderos, automóviles así como sistema de adquisición de datos y Tracker GPS (Google Earth) y labores relacionadas con las “Smart City”. [ENG] Several situations demand control systems to automate certain processes or perform specific tasks. Therefore, a Smartphone with option to be easily configured, according to the user’s needs, without requiring a deep knowledge of programming or automation, poses the design and implementation of a programmable hardware module. The system is easily adjustable to several tasks commonly performed in different industrial fields like automation, control and safety, management of greenhouses, automotive industry, and data acquisition system and GPS Tracker (Google Earth) and work related to the "Smart City".scuela Técnica Superior de Ingeniería de Telecomunicación (ETSIT), Escuela Técnica Superior de Ingeniería Agronómica (ETSIA), Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial (ETSII), Escuela Técnica Superior de Arquitectura y Edificación (ETSAE), Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Caminos, Canales y Puertos y de Ingeniería de Minas (ETSICCPIM), Facultad de Ciencias de la Empresa (FCCE), Parque Tecnológico de Fuente Álamo (PTFA), Vicerrectorado de Estudiantes y Extensión de la UPCT, Vicerrectorado de Investigación e Innovación de la UPCT, y Vicerrectorado de Internacionalización y Cooperación al Desarrollo de la UPCT

Implementing Early Warning Systems in WWTP. An investigation with cost-effective LED-VIS spectroscopy-based genetic algorithms

Measuring how the pollution load evolves in real time along sewer networks is key for proper management of water resources and protecting the environment. The technique of molecular spectroscopy for water characterization has increasingly widespread use, as it is a non-invasive technique that leads to the correlation of the physical-chemical conditions of wastewater with spectroscopic surrogates by a series of mathematical estimation models. In the present research work, different symbolic regression models obtained with evolutive genetic algorithms are evaluated for the estimation of chemical oxygen demand (COD); five-day biochemical oxygen demand (BOD5); total suspended solids (TSS); total phosphorus (TP); and total nitrogen (TN), from the spectral response of samples measured between 380 and 700 nm and without the use of chemicals or pre-treatment. Around 650 wastewater samples were used in the campaign, from 43 different wastewater treatment plants (WWTP) in which both, raw/influent and treated/effluent, were examined through 18 models composed of Classical Genetic Algorithm (CGA), the Age-Layered Population Structure (ALPS), and Offspring Selection (OS) by mean of HeuristicLab software, to make a comparison among them and to determine which models and wavelengths are most suitable for the correlation. Models are proposed considering both raw and treated samples together (15) and only with tertiary treated wastewater reclaimed for agriculture irrigation effluent (3). The Pearson correlation coefficients were in the range of 67–91% for the test data in the case of the combined models. The results conform the first steps for a real-time monitoring of WWTP.The author Daniel Carreres Prieto wishes to thank the financial support received from the Seneca Foundation of the Región de Murcia (Spain) through the program devoted to training novel researchers in areas of specific interest for the industry and with a high capacity to transfer the results of the research generated, entitled: “Subprograma Regional de Contratos de Formación de Personal Investigador en Universidades y OPIs” (Mod. B, Ref. 20320/FPI/17). The present research has been funded by the project MONITOCOES: New intelligent monitoring system for microorganisms and emerging contaminants in sewage networks. Reference: RTC2019-007115-5 by the Ministry of Science and Innovation - State Research Agency, within the RETOS COLABORACIÓN 2019 call, which supports cooperative projects between companies and research organizations, whose objective is to promote technological development, innovation and quality research. The authors wish to thank the help and availability received from the company Munuera Laboratories during the field campaign

Multivariate linear regression versus symbolic regression from genetic programming. Application to the spectroscopic characterisation of urban wastewater

[EN] Characterising urban wastewater in real time is key to ensure the proper management of water resources and environmental protection. From indirect measurements, such as the molecular spectroscopy which provides information on the physicochemical properties of the water, it is possible to determine the pollutant load of wastewater from mathematical correlation models. The research compares multivariate linear regression models and symbolic regression models based on genetic programming to establish a correlation with the pollutant load of the wastewater. The study has focused on the comparison of models for the characterisation of total nitrogen, total phosphorus and nitrogen in the form of nitrate of 90 urban wastewater samples. It is observed that the symbolic regression based on genetic programming provides an improvement in goodness of fit (R2) of between 72.76% and 146.39% with respect to multivariate linear regression.[ES] Caracterizar en tiempo real las aguas residuales urbanas es clave para poder garantizar una correcta gestión de los recursos hídricos y la protección del medioambiente. A partir de mediciones indirectas, como la espectroscopía molecular que proporciona información sobre las propiedades físico-químicas del agua, es posible determinar la carga contaminante de las aguas residuales empleando modelos matemáticos de correlación. El presente trabajo compara la regresión lineal multivariable y los modelos de regresión simbólica basados en programación genética, para establecer una correlación con la carga contaminante de las aguas residuales. El estudio se ha centrado en la comparativa de modelos para la caracterización de nitrógeno total, fósforo total y nitrógeno en forma de nitrato, considerando 90 muestras de aguas residuales urbanas. Se observa que la regresión simbólica basada en programación genética proporciona una mejora en el ajuste (R2) de entre el 72.76% y 146.39% respecto a la regresión lineal multivariable.El primer autor agradece la financiación recibida de la Fundación Séneca-Agencia de Ciencia y Tecnología de la Región de Murcia (España), a través del programa de capacitación para nuevos investigadores en áreas específicas de interés para la industria y alta capacidad de transferencia de los resultados de investigación generados, titulado: “Subprograma Regional de Contratos de Formación de Personal Investigador en Universidades y OPIs” (Mod. B, Ref. 20320/FPI/17)”. El presente trabajo de investigación ha sido financiado mediante el proyecto MONITOCOES: New intelligent monitoring system for microorganisms and emerging contaminants in sewage networks. Referencia: RTC2019-007115-5, otorgado por el Ministerio de Ciencia e Innovación – Agencia Estatal de Investigación, dentro de la convocatoria RETOS COLABORACIÓN 2019. El equipo desarrollado también ha recibido financiación para su industrialización a través del programa “Proof of Concept” de la Fundación Séneca, en el marco del proyecto “ Equipo de MONITORIZACIÓN en Tiempo REAl de Contaminantes en Aguas Residuales (MONITOREA).” (21662/PDC/21.).Carreres-Prieto, D.; García, JT.; Castillo, LG.; Carrillo, JM.; Vigueras-Rodriguez, A. (2022). Regresión lineal multivariable versus regresión simbólica a partir de programación genética. Aplicación a la caracterización espectroscópica de aguas residuales urbanas. Ingeniería del Agua. 26(4):261-277. https://doi.org/10.4995/ia.2022.1807326127726

3MT UPCT 2021: Sistema para la monitorización de la carga contaminante en las aguas en tiempo real.

Conocer la evolución de la carga contaminante de la red de saneamiento es clave para un control más fehaciente de la misma, especialmente durante episodios de lluvia intensa debido al riesgo de desbordamiento de la red, lo que puede implicar el vertido de una alta concentración de contaminantes al medio receptor.Tradicionalmente, el estudio de la evolución de la carga contaminante es llevado a cabo mediante la toma de muestras puntuales que son analizadas en laboratorio, lo que imposibilita llevar a cabo una monitorización en tiempo real. No obstante, en las últimas décadas se han llevado a cabo diversos estudios que ponen de manifiesto la capacidad de caracterizar ciertos parámetros contaminantes a partir de mediciones indirectas, basadas en la espectroscopia de absorción molecular, como es el caso de un espectrofotómetro para un rango amplio de longitudes de onda o de un medidor de turbidez para una única longitud de onda. Actualmente ya se están comercializando equipos que por medio de un análisis espectrofotométrico basado en lámparas de xenón, estiman ciertos parámetros de contaminación como la DQO o la concentración de nutrientes sin necesidad de reactivos o pretratamientos

GNX Project v.1 : módulo de control programable vía bluetooth para aplicaciones de telemetría, telecontrol y posicionamiento vía satélite

En la actualidad existen muchas situaciones en las que se precisan de sistemas de control a fin automatizar determinados procesos o desempeñar tareas concretas para los cuales se requieren de costosos autómatas programables o conocimientos de electrónica y programación de microcontroladores. A fin de poder paliar esta situación se plantea el diseño e implementación de un módulo hardware programable por medio de un Smartphone con posibilidad de ser configurado por el usuario a sus necesidades de una manera simple y sin precisar de conocimientos en programación o automática. Dicho módulo estará basado en la plataforma de software y hardware libre Arduino y se podrá orientar a diversas tareas tales como domótica, control y seguridad así como sistema de adquisición de datos y logger GPSEscuela Técnica Superior de Ingeniería IndustrialUniversidad Politécnica de Cartagen