1 Introducción
El cambio climático es una de las principales amenazas a nivel global y ha tomado gran relevancia en años recientes. Según el Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC, por sus siglas en inglés), para limitar el calentamiento global a 1.5°C por encima de los niveles preindustriales, es imprescindible una reducción drástica de las emisiones globales de gases de efecto invernadero (GEI). Estas emisiones deben alcanzar su máximo antes del año 2025 y disminuir en un 43% para el año 2030, llegando a cero neto para el año 2050. Esto es esencial para reducir las emisiones de GEI, evitar el cambio climático y, con ello, contribuir al cumplimiento de los Objetivos de Desarrollo Sostenible planteados por la Organización de las Naciones Unidas (2015).
El Synthesis Report (2023) señala que durante el período que abarca de 2011 a 2020, las actividades humanas causaron un calentamiento de aproximadamente 1.1°C por encima de los niveles preindustriales. Este incremento ha resultado en cambios importantes a nivel climático, generando olas de calor, precipitaciones y sequías más intensas. Estos efectos no solo amenazan la biodiversidad y la salud humana, sino que también afectan directamente la eficiencia energética de las edificaciones, ya que exigen un mayor consumo de energía de los sistemas de climatización para mantener condiciones de confort térmico adecuadas, incrementando las emisiones de GEI.
El 80% de las emisiones globales de GEI provienen de la generación de energía, las edificaciones, la industria y el transporte, mientras que el 20% restante proviene de actividades como la agricultura, la silvicultura y otros usos de la tierra. Tan solo el uso de energía representa el 73.2% de generación de emisiones GEI a nivel global, y el uso de energía en edificaciones constituye el 17.5%, siendo el 6.6% correspondiente a edificaciones no residenciales y el 10.9% a edificaciones residenciales (Ritchie 2020). En México, el sector residencial, comercial y público representa el 17.16% del consumo final de energía, de los cuales el 34.29% corresponden a consumo eléctrico (Secretaría de Energía 2023). En materia de eficiencia energética, el principal desafío que enfrentan los edificios no residenciales en México es su uso intensivo de electricidad (Lorentzen y McNeil 2020).
Para mejorar la eficiencia energética en las edificaciones en México, se proponen varias estrategias, como el uso de sistemas de aire acondicionados eficientes, la optimización de la iluminación, la automatización en la gestión energética, las auditorias energéticas y generar estándares de eficiencia. Estas medidas pueden reducir el consumo de energía, disminuir costos y contribuir a un entorno más sostenible (Lorentzen y McNeil 2020).
Ante este panorama, la digitalización se presenta como una herramienta con el potencial de mejorar la eficiencia energética, favorecer la descarbonización y ayudar a mitigar el cambio climático. La digitalización permite una gestión más eficiente de los sistemas de edificios mediante el monitoreo en tiempo real, el mantenimiento predictivo y la optimización del uso energético. Tecnologías como los medidores inteligentes, sensores con internet de las cosas (IoT, por sus siglas en inglés) y sistemas de automatización de edificios ayudan a reducir el consumo de energía al gestionar de manera eficiente servicios como sistemas de aire acondicionado, calefacción e iluminación (Olabi, Abdelkarem, y Jouhara 2023). Sin embargo, la digitalización también implica un aumento en la demanda de energía. Para enfrentar este desafío, el Panel Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (2022) destaca la necesidad de políticas proactivas y regulación del desecho electrónico, así como la transición hacia fuentes de energía sostenibles, prácticas alimenticias más sostenibles y la reconfiguración urbana.
El confort térmico está fuertemente relacionado con el consumo de energía en edificaciones y es un factor crucial en la calidad de vida de los ocupantes. Una gran parte del consumo de energía en estas se ocupa en mantener condiciones adecuadas de iluminación, temperatura y humedad del aire, buscando obtener espacios con condiciones adecuadas para que los ocupantes se encuentren en confort térmico, lumínico y acústico. La American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc. (ASHRAE, 2017) es una organización que desarrolla estándares y guías para sistemas de construcción, eficiencia energética, calidad del aire al interior y sostenibilidad. Define al confort térmico como la condición mental que expresa satisfacción con el ambiente, y es un juicio personal cognitivo que es influenciado por procesos físicos, fisiológicos y otros factores.
En el contexto actual del cambio climático, el diseño de edificaciones que favorezcan el confort térmico de manera eficiente y sustentable se vuelve prioritario. Enescu (2017) destaca como se puede contribuir a reducir el consumo energético de los sistemas de climatización teniendo una adecuada gestión del confort térmico en las edificaciones, un diseño eficiente reduce la dependencia de sistemas de calefacción y refrigeración. En este sentido cobra importancia el diseño bioclimático. Olgyay et al. (1963) introdujo este concepto, el diseño bioclimático consiste en diseñar las edificaciones acorde al clima del lugar, es decir que se busca aprovechar las condiciones climáticas necesarias para minimizar el uso de energía y, con ello, las emisiones de GEI.
1.1 Problema específico y relevancia del proyecto
El confort térmico es un aspecto complejo de evaluar dada su naturaleza subjetiva, ya que depende de la percepción individual de cada individuo, por lo que tratar de evaluarlo de manera colectiva se convierte en un desafío. La forma tradicional de evaluar el confort térmico es a través de encuestas y sensores estacionarios que miden la temperatura ambiente, humedad relativa y velocidad del viento. Sin embargo, estas herramientas presentan retos, tales como la falta de accesibilidad o altos costos en equipamiento, dificultando la recolección continua de datos para la evaluación del confort térmico. Aunado a esto, estas herramientas carecen de flexibilidad para ajustarse a las necesidades individuales de los ocupantes.
Recientemente han surgido nuevas herramientas tecnológicas como el internet de las cosas (IoT, por sus siglas en ingles), la inteligencia artificial (IA) o los dispositivos portátiles que funcionan como una alternativa en la búsqueda de una solución a esta problemática. Distintos autores destacan como estas tecnologías permiten una mejor recopilación y análisis de datos para la evaluación y predicción del confort térmico (Tartarini et al. 2022; Feng et al. 2023; Malakhatka et al. 2021; Garces et al. 2021; He et al. 2025; Nazarian et al. 2021). Estas tecnologías favorecen el estudio del confort térmico al permitir un monitoreo continuo y en tiempo real del confort térmico, así como la generación de bases de datos para su posterior estudio y generación de modelos de confort.
Existen relojes inteligentes comerciales que integran sensores avanzados los cuales podrían ser útiles en este contexto, sin embargo, su implementación enfrenta distintos desafíos. El acceso a los datos recopilados por estos dispositivos está generalmente limitado o son de difícil acceso. Una alternativa ante esta problemática es el desarrollo de aplicaciones propias y específicas, pero esto implica programar la aplicación para diferentes sistemas operativos, como Android y watchOS, además de adaptarlas a modelos específicos de relojes inteligentes. Asimismo, el desarrollo de dichas aplicaciones requiere mantenimiento continuo para garantizar su funcionalidad.
Mishra y Ramgopal (2013) y Chaudhuri et al. (2020), menciona también las limitaciones de estas tecnologías, pues aunque son prometedoras, su costo elevado y complejidad de implementación en muchos casos las vuelve inaccesibles. Estos estudios resaltan la necesidad de desarrollar herramientas más prácticas y económicamente viables, que permitan una evaluación más inclusiva y personalizada del confort térmico.
Surge entonces la necesidad de la inclusión de tecnologías abiertas para el desarrollo de estas herramientas. El termino tecnologías abiertas se refiere a sistemas y herramientas cuyo diseño, código fuente o especificaciones están disponibles públicamente, permitiendo que cualquier persona los utilice, modifique y distribuya libremente (Departamento de Defensa de EE.UU. 2009). El uso de tecnologías abiertas permite mayor accesibilidad en la implementación de sistemas de monitoreo de confort térmico, lo cual puede resultar en soluciones más prácticas y económicas para la evaluación del confort térmico en diferentes contextos.
Con las tecnologías abiertas también se pueden generar bases de datos útiles para el estudio de confort térmico y la generación de modelos de confort personalizados. Gnecco, Pigliautile, y Pisello (2023) presenta una metodología para investigar la correlación entre el voto de sensación térmica (TSV, por sus siglas en inglés) diario de los individuos con variables ambientales y fisiológicas con el objetivo de desarrollar modelos de confort personalizados que permitan maximizar el bienestar de los ocupantes, a la vez que se minimiza el consumo energético.
1.2 Objetivos del proyecto
Desarrollar un reloj inteligente basado en tecnologías abiertas capaz de recolectar y enviar datos relacionados con el confort térmico a una plataforma IoT, incluyendo variables fisiológicas y encuestas simplificadas de confort térmico para la generación de una base de datos contextualizada en el Instituto de Energías Renovables (IER) de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) en Temixco, Morelos.
Objetivos Específicos:
Diseñar y construir un dispositivo que integre componentes de hardware, incluyendo la placa de desarrollo XIAO ESP32C3, un sensor de temperatura de la piel (GY-906), un sensor de frecuencia cardíaca (MAX30102), una pantalla táctil (XIAO Round Display), un circuito vibrador para alarma, una batería y un interruptor de encendido/apagado, en un diseño compacto y ergonómico para el usuario.
Desarrollar e implementar encuestas de confort térmico simplificadas que se realicen de manera periódica a través de una interfaz gráfica intuitiva y de fácil uso para el usuario.
Calibrar y validar el funcionamiento de los sensores utilizando equipos de referencia, como cámaras termográficas y oxímetros, para asegurar un bajo margen de error en los datos fisiológicos recuperados.
Implementar un sistema de envío y almacenamiento de datos en una plataforma IoT para generar una base de datos con toda la información obtenida para su posterior análisis.
1.3 Metodología
La metodología del proyecto se centra en el desarrollo y la validación de un reloj inteligente basado en tecnologías abiertas para la recolección de datos relacionados con el confort térmico. El enfoque metodológico incluye varias etapas clave:
Prototipado y diseño de hardware: Se realiza el diseño y construcción de un prototipo funcional del dispositivo, utilizando la placa XIAO ESP32C3 y sensores como el GY-906 y el MAX30102, integrados con una pantalla táctil para facilitar la interacción del usuario.
Implementación de encuestas simplificadas: Se diseñan encuestas de confort térmico simplificadas que se ejecutan automáticamente a intervalos programados, permitiendo a los usuarios responder directamente desde el dispositivo. Estas encuestas recopilan datos subjetivos relacionados con el confort térmico.
Calibración y pruebas de campo: Los sensores del dispositivo se calibran utilizando equipos de referencia como la cámara termográfica Fluke Ti9 y el oxímetro Yonker YK-81C para asegurar la precisión de las mediciones fisiológicas. El dispositivo se somete a campañas de medición para evaluar la correcta calibración de los sensores.
Conexión IoT y almacenamiento de datos: Se utiliza la plataforma ThingsBoard para el almacenamiento de los datos recopilados, permitiendo la visualización en tiempo real y la descarga de los datos en cualquier momento para su análisis.
Como parte del compromiso con las tecnologías abiertas en este proyecto, todos los archivos de diseño del reloj inteligente, incluidos los archivos FCStd de la carcasa, los diagramas de conexión y el código fuente están disponibles en el repositorio público bajo la licencia GNU GPL-3.0, disponible en el siguiente enlace:
https://github.com/JulioLanda4/IoT_Reloj_Confort1.4 Estructura de la tesis
A continuación se presenta la estructura de esta tesis y que se aborda en cada capitulo de la misma:
Antecedentes y Marco Teórico: En el capitulo 2 se revisan estudios previos y conceptos claves relacionados con el proyecto. Se brinda un marco conceptual que fundamenta la investigación.
Metodología: En el capitulo 3 se describe todo el proceso de desarrollo del reloj inteligente, desde la selección y justificación de los componentes, hasta la construcción del dispositivo, la calibración de los sensores, la implementación de encuestas de confort térmico y la validación de funcionamiento del reloj inteligente.
Conclusiones: En el capitulo 4 se abordan las conclusiones generales del proyecto, así como las contribuciones, limitantes y trabajo futuro del mismo.