El Aire Que Respiran Los Hongos

En el contexto de la convocatoria para el desafío “do your:bit” 2022, un par de niñas deciden aceptar el reto y atender uno de los Objetivos de desarrollo Sostenible (ODS) haciendo uso de las habilidades computacionales y de una de las áreas de la Ciencia; la Micología.

En la práctica micológica de cultivo de setas o producción de biomateriales a partir del micelio (Micotectura), surge una necesidad para el monitoreo de la calidad de aire dado a los requerimientos de "asepsia" en el proceso de inoculación de semilla de hongo y en la incubación.

Supplies

Además de los suministros se describen los parámetros, características eléctricas y aspectos a monitorear.

Temperatura y humedad. – En ambos procesos se tiene que mantener una temperatura constante entre los 24°C y 29°C, en el caso de la humedad cambian los parámetros en cada proceso: para la inoculación el propio sustrato contendrá la humedad requerida y en la incubación se divide en dos etapas; la primera es la expansión de micelio y segunda la fructificación donde se intensifica el % de humedad hasta en un 80%.

Dióxido de Carbono. – Mejor conocido como Co2 por su composición molecular, se monitorea para conservar niveles bajos de emisión del gas a pesar de que en el proceso de inoculación se utiliza cubrebocas, estos niveles deben ser preferentemente menores entre los 400 y 600 ppm (partículas por millón), en el proceso de incubación ya no es relevante dado al aislamiento propio de este que solo requiere una pequeña porción de aireación.

Concentración de materia particulada. -  PM por sus siglas en inglés, son partículas muy pequeñas en el aire que pueden tener un origen natural o antropogénico. De acuerdo con su diámetro aerodinámico, éstas se clasifican en menores o iguales a 10 micras (PM10), en menores o iguales a 2.5 micras (PM2.5) y menores o iguales a 0.1 micras (PM0.1), su unidad de medida es el microgramo por metro cúbico (ug/m3). Al inocular la semilla de hongo debe evitarse la invasión de micro organismos que puedan contaminar el cultivo, un parámetro bueno debe estar en PM2.5 0-10 y PM10 0-20 ug/m3.

LOS SENSORES

DHT22 Temperatura y humedad

Es un sensor digital capacitivo con un transistor para medir el aire circundante, el cual muestra los datos mediante una señal digital en el pin de datos.

Datos eléctricos de operación: 

• Voltaje 3.3 a 5v
• Corriente 2.5mA.

MQ135 Detector de gases

Es un sensor electro-químico que varía su resistencia al estar en contacto con gases como Amoniaco, Alcohol, Benceno, Humo y Dióxido de carbono en el aire, el módulo contiene un circuito electrónico que funciona como interfaz permitiendo realizar la conexión con alguna tarjeta de desarrollo y cuenta con una salida analógica y otra digital.

Datos eléctricos de operación: 

• Voltaje 5v
• Corriente 150mA.

Recomendaciones antes de usar:

• Antes de usarlo por primera vez se recomienda “curarlo” de 6 a 12 hrs, es decir, dejarlo conectado para que el calentamiento del sensor elimine los residuos que pudieran quedar en el proceso de fabricación.
• Este sensor tiene un sistema que aumentar su temperatura por lo que no es recomendable tocarlo una vez conectado.
• Preferentemente su uso debe ser en interiores, a temperatura ambiente y en ambientes sin condensación de agua.
• Su sensibilidad se puede ajustar mediante el potenciómetro en la placa.
• Los módulos MQ son sensibles a más de un gas y en diferente proporción por lo que se recomienda identificar el gas a monitorear en específico.
• Se recomienda que trabaje en un ambiente con 21% o un mínimo de 2% de concentración de oxígeno en el aire.

PMS5003 Lector de concentración de partículas

Modulo que permite medir la concentración de partículas PM2.5 o menores por medio de dispersión de luz láser sobre las partículas suspendidas en el aire, capturando la luz de láser dispersa para poder obtener una estimación de la cantidad de partículas suspendidas por unidad de volumen a través de un microprocesador. Su comunicación está basada en el protocolo serial UART, transmite en la línea “TX” y recibe datos por la línea “RX”.

Datos eléctricos de operación: 

• Voltaje 5v
• Corriente 100mA.

Pantalla LCD1602 interfaz I2C

Una limitación en micro:bit es la visualización proporcionada por la matriz LED 5x5, es útil para mostrar gráficos sencillos o texto en movimiento pero en este caso puede ser un poco confuso al mostrar valores del monitoreo (la matriz 5x5 únicamente mostrara iconos relacionados a cada sensor), por ello la propuesta para la visualización de las lecturas de los sensores será a través de la pantalla de cristal líquido de 16 columnas por 2 filas. La comunicación en paralelo que ofrece originalmente la pantalla provocaría la saturación de pines de la micro:bit, para resolver el inconveniente es necesario utilizar un adaptador que establezca la comunicación en serie mediante el protocolo I2C, dicho adaptador se basa en el integrado PCF8574 que indica la dirección de comunicación en 39 pues está vinculado con los pines de salida de este.

Datos eléctricos de operación: 

• Voltaje 5v
• Corriente 25mA.

FUENTE DE ENERGÍA

En la práctica de la mecatrónica un elemento valioso es el uso de fuentes de energía eléctrica con mayor capacidad de voltaje y corriente. Una opción sustentable ha sido la basada en el elemento químico del Litio, lo más común para satisfacer esta necesidad es el armado de un Battery-pack o paquetes de baterías usando celdas de polímero de litio (LiPo) o de iones de litio (Li-Ion). En nuestro proyecto incluimos dos celdas LiPo de 3.7V a 1000mAh modelo 503450 (el modelo refiere a sus dimensiones 50mm x 34 mm x 5mm), para obtener un mejor rendimiento en la corriente eléctrica se conectaron las celdas en paralelo obteniendo 2000mAh, en cuanto al voltaje se empleó la inducción (bobina) para multiplicarlo a 9v, dado a la naturaleza de las celdas se requiere un manejo adecuado en la carga y descarga excesiva. Todas estas características se concentraron en un diseño propio de tarjeta de circuito impreso (PCB) que incluye con un puerto micro USB para la carga, un led bicolor que indica verde-carga completa y rojo carga-en proceso y dos salidas; una con puerto USB y la otra con pines Dupont macho. En resumen, el Battery-pack ofrece 9v a 2000mAh.

Considerando los datos eléctricos de cada sensor, el paquete de baterías propuesto satisface los requerimientos de estos, sin embargo, es necesario regular los voltajes, para ello se utilizarán los reguladores 7805 y LD33 con sus respectivos filtros y montados en una Protoboard. 

Step 1: Corte Láser

Aprovechando el diseño asistido por computadora se vectorizo la base y la cubierta que sostendrán los componentes electrónicos y aplicando la fabricación digital se obtuvo en acrílico de 3mm el corte láser del vector diseñado.  

Step 2: Fijar Sensores

Para fijar los sensores se utilizaron tornillos de 3mm de Nylon y para la fuente de energía de 3mm galvanizados. Un elemento valioso a fijar es el expansor de pines Sparkfun que brindara sujeción a la microbit y conexión con terminales Dupont hembra a sus pins.

Step 3: Conexiones

Las conexiones de harán conforme a los diagramas tanto de pins de la micro:bit como el de la Protoboard.

Step 4: Calibrar LCD

Un paso muy importante es calibrar la iluminación de la LCD ya que al armar el monitor no se tiene acceso al potenciómetro para este fin.

Step 5: Armado

Se utilizarán 4 tornillos de 5/32” x 2 ½ cabeza de gota cromados y 4 postes de tubo de aluminio de 5/32” como separadores.

Step 6: Coding

Para la programación fueron muy útiles las extensiones del sensor DHT22 y la del LCD1602, pero fue necesario pedir apoyo a un especialista para crear una para el PMS5003, esta última al estar en proceso de verificación por MakeCode se tiene que cargar desde la plataforma GitHub con la siguiente URL (favor de copiar y pegar en su buscador)  https://github.com/garragames/pms5003-sensor