Arquitectura IoT para el monitoreo en tiempo real de contaminantes atmosféricos en un entorno universitario / IoT Architecture for Real-Time Monitoring of Atmospheric Pollutants in a University Environment
Anthony
Morán Cabezas1, https://orcid.org/0009-0005-2734-8474, amoranc5@uteq.edu.ec
Andrés De La
Torre Macias1,https://orcid.org/0000-0002-4984-6483, adelatorrem@uteq.edu.ec
Jefferson Morán Cabezas1,https://orcid.org/0000-0003-2097-5027, amoranc5@uteq.edu.ec
César
Fabián Varas Beltrán1 https://orcid.org/0000-0002-1885-5977,cvarasb@uteq.edu.ec
Institución de los autores
1, 2, 3, 4 Universidad
Técnica Estatal de Quevedo. Ecuador.
Resumen
Este artículo presenta el diseño e implementación de un sistema de
monitoreo de la calidad del aire basado en Internet de las Cosas (IoT) para el campus de la Universidad Técnica Estatal de
Quevedo. La arquitectura propuesta emplea nodos sensores con microcontroladores
ESP32, que miden contaminantes como monóxido de carbono (CO) y dióxido de
carbono (CO₂). Los datos se transmiten de forma inalámbrica a una plataforma
centralizada, donde se almacenan y visualizan en tiempo real mediante una
interfaz web accesible. Los resultados del periodo de prueba indican que las
concentraciones de los contaminantes se mantuvieron dentro de rangos
aceptables, mostrando variaciones coherentes con la actividad humana y las
condiciones ambientales. Se concluye que el sistema constituye una solución
funcional, escalable y de bajo costo, viable para la gestión ambiental
universitaria y base para futuras mejoras, como la integración de análisis
predictivo y sistemas de alerta temprana.
Palabras clave: Contaminación atmosférica, Internet de las Cosas, Monitoreo ambiental, ESP32,
Calidad del aire.
Abstract
This article presents the design
and implementation of an air quality monitoring system based on the Internet of
Things (IoT) for the campus of the State Technical University of Quevedo. The
proposed architecture uses sensor nodes with ESP32 microcontrollers, which
measure pollutants such as carbon monoxide (CO) and carbon dioxide (CO₂). The data is transmitted wirelessly to a centralized platform, where it
is stored and displayed in real time through an accessible web interface. The
results from the trial period indicate that pollutant concentrations remained
within acceptable ranges, showing variations consistent with human activity and
environmental conditions. It is concluded that the system constitutes a
functional, scalable, and low-cost solution, viable for university
environmental management and as a basis for future improvements, such as the integration
of predictive analysis and early warning systems.
Keywords: Air pollution, Internet of Things,
Environmental monitoring, ESP32, Air quality.
Introducción
La contaminación
atmosférica constituye uno de los problemas ambientales más relevantes a nivel
global, debido a sus efectos adversos sobre la salud humana, los ecosistemas y
la calidad de vida de la población. Diversos estudios han demostrado que la
exposición prolongada a contaminantes como el monóxido de carbono, dióxido de
carbono y material particulado puede provocar enfermedades respiratorias,
cardiovasculares y otros trastornos crónicos (Organización Mundial de la Salud,
2021). En América Latina, esta problemática se ha intensificado por el
crecimiento urbano desordenado, la industrialización y la expansión del parque
vehicular, generando episodios críticos de deterioro de la calidad del aire que
afectan principalmente a poblaciones urbanas (Herrera, 2020). Ecuador, como
país en vías de desarrollo, enfrenta desafíos significativos en la
monitorización y control de emisiones, con limitada infraestructura de medición
continua y sistemas de alerta temprana.
El crecimiento urbano
acelerado, el aumento del parque automotor y el uso intensivo de combustibles
fósiles han incrementado significativamente las emisiones contaminantes,
especialmente en ciudades intermedias y zonas urbanas en expansión. En países
en vías de desarrollo de América Latina, la disponibilidad de sistemas
automatizados de monitoreo ambiental se ve restringida por déficits de
infraestructura, estandarización y financiamiento, lo que limita la continuidad
de series temporales y el control de calidad de datos.
En Ecuador, iniciativas
académicas y pilotos tecnológicos demuestran la necesidad de integrar
plataformas vehículo aéreo no tripulado y redes IoT
con modelos predictivos para suplir la ausencia de redes automáticas sólidas y
avanzar hacia mediciones en tiempo real y con mayor representatividad espacial (Burgos
et al., 2024).
En consonancia con lo
anterior, la ciudad de Quevedo presenta características que justifican el
estudio de la calidad del aire, entre ellas una alta circulación vehicular,
actividades comerciales intensivas y concentración de instituciones educativas.
La Universidad Técnica Estatal de Quevedo, al encontrarse inmersa en este
entorno, requiere herramientas tecnológicas que permitan evaluar de manera
continua las condiciones ambientales de sus predios.
En este contexto, el
Internet de las Cosas (IoT) surge como una
alternativa tecnológica eficiente para el desarrollo de sistemas de monitoreo
distribuido. Mediante la integración de sensores, microcontroladores y
plataformas de comunicación, es posible adquirir, procesar y visualizar datos ambientales
en tiempo real, favoreciendo la toma de decisiones basada en información
objetiva (Al-Fuqaha et al., 2015). Estudios recientes
en la región han demostrado la viabilidad de implementar redes de sensores de
bajo costo para evaluar contaminantes atmosféricos en entornos urbanos y
semiurbanos, proporcionando datos valiosos para la gestión ambiental local
(Hernández et al., 2022). La flexibilidad de estas soluciones permite su
adaptación a diferentes escalas y contextos, desde monitoreo hiperlocal hasta sistemas metropolitanos integrados.
La implementación de
arquitecturas IoT para calidad del aire en entornos
universitarios representa una oportunidad estratégica para generar conciencia
ambiental, integrar la investigación aplicada y promover políticas
institucionales sostenibles. Las universidades, como centros de innovación y
formación, pueden liderar la adopción de tecnologías de monitorización que
luego puedan replicarse en otros espacios comunitarios (Aguilar et al., 2023).
Además, estos sistemas permiten establecer líneas base de contaminación,
identificar fuentes de emisión internas y externas, y evaluar la efectividad de
medidas correctivas, creando así campus más saludables y resilientes.
Investigaciones recientes
destacan la importancia de desarrollar soluciones tecnológicas accesibles para
el monitoreo ambiental en países en desarrollo. Por ejemplo, estudios en Brasil
han implementado redes de sensores IoT para evaluar
material particulado en áreas urbanas, demostrando su efectividad para complementar
las estaciones de monitoreo convencionales (Silva et al., 2022). En Colombia,
se han desarrollado prototipos basados en microcontroladores ESP32 para
medición de CO2 en espacios cerrados, con resultados prometedores para el
control de ventilación y prevención de contagios (Hernández, 2021). Estos
antecedentes validan el enfoque propuesto y ofrecen experiencias comparativas
para optimizar el diseño del sistema.
A pesar de estos avances,
persisten brechas importantes en la implementación de sistemas IoT integrales que combinen adquisición, transmisión,
almacenamiento y visualización de datos de manera robusta y escalable. Muchas
iniciativas se limitan a prototipos aislados sin integración a plataformas
centralizadas que permitan el análisis histórico y la generación de alertas
(Lozada & Bautista, 2024). Además, existe necesidad de validar la precisión
de sensores de bajo costo en condiciones ambientales tropicales, donde factores
como humedad y temperatura pueden afectar las mediciones. El presente estudio
busca contribuir a superar estas limitaciones mediante un sistema completo
implementado en condiciones reales.
El presente artículo tiene como objetivo desarrollar un sistema basado en IoT para el monitoreo de la calidad del aire en los predios de la Universidad Técnica Estatal de Quevedo, contribuyendo a la gestión ambiental institucional y a la generación de conciencia sobre la importancia del cuidado del entorno. Específicamente, se propone: (1) diseñar una arquitectura escalable para adquisición y transmisión de datos de contaminantes atmosféricos; (2) implementar una plataforma centralizada para almacenamiento y visualización en tiempo real; (3) validar el sistema mediante mediciones continuas en el campus universitario; y (4) analizar los patrones de contaminación identificados para proponer medidas correctivas. La investigación se estructura en secciones que describen los materiales y métodos, presentan los resultados obtenidos, discuten sus implicaciones y establecen conclusiones y recomendaciones para futuros desarrollos.
Materiales y métodos
La investigación se
enmarcó en un enfoque descriptivo y aplicado, orientado al diseño e
implementación de un sistema de monitoreo de la calidad del aire basado en
Internet de las Cosas. El estudio se llevó a cabo en áreas representativas del
campus de la Universidad Técnica Estatal de Quevedo, seleccionadas por su
constante actividad peatonal y académica, lo que permitió evaluar el
comportamiento de los contaminantes en un entorno abierto dinámico. Esta ubicación
facilitó la observación de variaciones en las concentraciones asociadas a la
ocupación y uso del espacio, proporcionando un contexto real para la validación
del sistema.
Para la adquisición de
datos, se emplearon nodos de censado compuestos por
microcontroladores ESP32, elegidos por su conectividad inalámbrica integrada,
bajo consumo energético y compatibilidad. Estos se integraron con sensores
específicos para la medición de monóxido de carbono (CO) y dióxido de carbono
(CO₂), considerados indicadores
clave de la calidad del aire. La selección de los componentes priorizó
criterios de disponibilidad, bajo costo y facilidad de implementación,
adecuados para el despliegue de una red de monitoreo preliminar.
La arquitectura del
sistema operó mediante la captura periódica de datos por parte de los nodos, su
procesamiento local y posterior transmisión inalámbrica a una plataforma
centralizada. La información recibida se almacenó de manera estructurada en una
base de datos, garantizando la trazabilidad y permitiendo su consulta
histórica. Este flujo aseguró la continuidad en la recolección y resguardó los
datos para su análisis posterior, formando la columna vertebral del proceso de
monitoreo.
Para la visualización y
análisis, se desarrolló una aplicación web que presenta la información mediante
gráficas en tiempo real, facilitando la interpretación de las variaciones de
los contaminantes. La validación del sistema se realizó contrastando los datos
obtenidos durante un periodo de prueba con referencias establecidas en la
literatura científica. El análisis se centró en identificar tendencias, rangos
de concentración y fluctuaciones temporales, evaluando así el desempeño general
de la solución implementada.
Resultados
El sistema implementado permitió
obtener registros continuos de las concentraciones de contaminantes
atmosféricos en el área de estudio, evidenciando variaciones asociadas a las
condiciones ambientales y a la actividad desarrollada en el entorno
universitario.
Los resultados correspondientes al
monóxido de carbono (CO) muestran fluctuaciones a lo largo del tiempo, con
incrementos puntuales en determinados intervalos horarios. Tal como se observa
en la Figura 1, los valores registrados presentan una tendencia variable, pero
sin alcanzar concentraciones consideradas críticas para espacios abiertos. Este
comportamiento indica una adecuada dispersión del contaminante y una dinámica
ambiental estable durante el periodo analizado.
Figura 1. Variación del nivel de monóxido de carbono durante el periodo de
monitoreo
Fuente. Elaboración propia (2025)
En relación con
el dióxido de carbono (CO₂), los resultados reflejan
variaciones moderadas asociadas a la presencia de personas y al desarrollo de
actividades académicas. En la Figura 2 se evidencian cambios graduales en los
niveles registrados, los cuales permanecen dentro de rangos aceptables, sin
presentar incrementos abruptos o sostenidos.
Figura 2. Variación de los niveles de dióxido de carbono durante el periodo de
monitoreo.
Fuente. Elaboración propia (2025)
Adicionalmente,
los registros obtenidos permitieron comprobar la continuidad en la captura y
almacenamiento de datos, lo que facilita el análisis temporal del comportamiento
de los contaminantes. La disponibilidad de información histórica constituye un
elemento clave para evaluar tendencias y realizar comparaciones en distintos
periodos.
Figura 3. Estructura de la base de datos utilizada para
el almacenamiento de la información
Fuente.
Elaboración propia (2025)
La información
almacenada es presentada mediante una interfaz web que permite la visualización
en tiempo real de los datos registrados. Esta interfaz facilita el seguimiento
del comportamiento de los contaminantes y el acceso a la información por parte
de los usuarios autorizados. En la Figura 4 se muestra el diseño general de la
aplicación utilizada para la consulta de los datos.
Figura 4. Interfaz web para la visualización de los datos del sistema.
Fuente. Elaboración propia (2025)
En conjunto, los
resultados confirman que el sistema desarrollado es capaz de registrar y
representar de manera efectiva las variaciones de los principales contaminantes
considerados, proporcionando información confiable para el seguimiento
ambiental en el entorno universitario.
Discusión
Los resultados
obtenidos evidencian que el sistema propuesto permite realizar un monitoreo
continuo y funcional de la calidad del aire en un entorno universitario,
mediante el uso de tecnologías basadas en Internet de las Cosas. Las
variaciones observadas en las concentraciones de monóxido de carbono y dióxido
de carbono reflejan comportamientos coherentes con las dinámicas ambientales y con
la actividad humana presente en el área de estudio, lo cual confirma la
pertinencia del enfoque adoptado.
En el caso del
monóxido de carbono, los valores registrados muestran fluctuaciones moderadas y
ausencia de concentraciones críticas, lo que coincide con lo reportado por la
Organización Mundial de la Salud (2021), que señala que en espacios abiertos la
dispersión atmosférica reduce significativamente el riesgo de acumulación de
este contaminante. Este comportamiento también ha sido observado en
investigaciones previas orientadas al monitoreo ambiental mediante sistemas
IoT, donde se destaca que la ventilación natural juega un papel determinante en
la disminución de concentraciones de CO (Kumar et al., 2017).
Respecto al
dióxido de carbono, los resultados muestran variaciones asociadas
principalmente a la presencia de personas y a la intensidad de las actividades
desarrolladas en el entorno universitario. Este comportamiento es consistente
con lo señalado por diversos autores, quienes indican que el CO₂ constituye un buen indicador indirecto del nivel de
ocupación y de la actividad humana en espacios abiertos y semiabiertos (Ravindra & Mor, 2022
). La estabilidad general de
los valores registrados sugiere condiciones ambientales adecuadas y ausencia de
fuentes significativas de emisión permanente.
Desde el punto de
vista tecnológico, los resultados obtenidos confirman que el uso de plataformas
IoT permite la adquisición y gestión eficiente de datos ambientales en tiempo
real. Estudios previos destacan que este tipo de soluciones facilita la
recolección automatizada de información, reduce la intervención manual y mejora
la disponibilidad de datos para su análisis posterior (Al-Fuqaha
et al., 2015). En este sentido, el sistema implementado demuestra ser funcional
para el registro continuo de información y su posterior visualización mediante
una interfaz accesible.
Asimismo, la
posibilidad de almacenar los datos de forma estructurada favorece el análisis
histórico y la identificación de patrones temporales, lo cual constituye un
elemento clave para la gestión ambiental institucional. Diversas
investigaciones señalan que el almacenamiento sistemático de datos ambientales
permite desarrollar estrategias de monitoreo a largo plazo y establecer mecanismos
de prevención frente a posibles escenarios de contaminación (Gubbi et al., 2013).
A pesar de los
resultados favorables, el estudio presenta algunas limitaciones. Entre ellas se
encuentra el número limitado de puntos de medición y el periodo acotado de
recolección de datos, lo que restringe la generalización de los resultados.
Asimismo, el uso de sensores de bajo costo, si bien resulta adecuado para fines
de monitoreo preliminar, puede requerir procesos de calibración periódica para
mejorar la precisión de las mediciones, tal como señalan investigaciones
recientes sobre sistemas IoT aplicados al monitoreo ambiental (Kumar et al.,
2017).
Finalmente, los
resultados obtenidos permiten afirmar que el sistema desarrollado constituye
una herramienta viable para apoyar la gestión ambiental universitaria, al
proporcionar información confiable y accesible sobre la calidad del aire. Como
trabajo futuro, se recomienda ampliar la red de sensores, incorporar técnicas
de análisis predictivo y establecer mecanismos de alerta temprana que
fortalezcan la toma de decisiones y contribuyan a la sostenibilidad ambiental.
Conclusiones
El presente
estudio demuestra la viabilidad de diseñar e implementar un sistema de
monitoreo de la calidad del aire basado en Internet de las Cosas (IoT) para entornos universitarios. La arquitectura
propuesta, compuesta por nodos con microcontroladores ESP32 y sensores de
gases, permitió la adquisición, transmisión, almacenamiento y visualización en
tiempo real de datos atmosféricos de manera confiable y continua.
Los resultados
obtenidos evidenciaron que las concentraciones de monóxido de carbono (CO) y
dióxido de carbono (CO₂) se mantuvieron dentro de rangos aceptables durante el periodo de
monitoreo, con variaciones coherentes con la dinámica ambiental y la actividad
humana en el campus. Esto no solo valida la capacidad del sistema para reflejar
condiciones en tiempo real, sino que también confirma la idoneidad del entorno
universitario evaluado.
La integración de
componentes de bajo costo, junto con una plataforma centralizada de
visualización web, constituye un esquema accesible y escalable que puede ser
adaptado o extendido según necesidades institucionales. Esta solución aporta
una herramienta concreta para la gestión ambiental universitaria, fomentando la
concienciación y la toma de decisiones basada en datos.
Como trabajo
futuro, se recomienda ampliar la red de sensores, incorporar el monitoreo de
otros contaminantes (como material particulado), integrar técnicas de análisis
predictivo y desarrollar mecanismos de alerta temprana. Estas mejoras
permitirían avanzar hacia un sistema más sólido, alineado con los objetivos de
sostenibilidad y salud ambiental en instituciones de educación superior. En
síntesis, este proyecto sienta bases tecnológicas y metodológicas para el
monitoreo ambiental local, demostrando que las soluciones IoT
representan una alternativa viable y eficiente para la vigilancia de la calidad
del aire en contextos universitarios y comunitarios.
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Conflicto de intereses
Los autores
declaran que no existen conflictos de intereses en relación con el artículo
presentado.
Como citar este
artículo:
Morán
Cabezas, A., De La Torre Macias, A., Morán Cabezas, J., & Varas Beltrán, C.
F. (2025). Arquitectura IoT para el monitoreo en
tiempo real de contaminantes atmosféricos en un entorno universitario. Revista
Ciencias Holguín, 31(4).
Fecha de envío: diciembre 10
de 2025
Aprobado para publicar: enero 3 de
2026