Universidad De Guayaquil Facultad De Ciencias Matemáticas Y Físicas Carrera De Ingenieria En Networking Y Telecomunicaciones

UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL

FACULTAD DE CIENCIAS MATEMATICAS Y FISICAS

CARRERA DE INGENIERÍA EN NETWORKING Y TELECOMUNICACIONES

DISEÑO DE UN SISTEMA DE MONITOREO PARA CONTENEDORES DE BASURA MEDIANTE LA ARQUITECTURA DE REDES DE SENSORES INALÁMBRICOS (WSN) PARA OPTIMIZAR RECURSOS, HACIENDO USO DE LA TECNOLOGÍA OPEN SOURCE.

PROYECTO DE TITULACIÓN

Previa a la obtención del Título de: INGENIERO EN NETWORKING Y TELECOMUNICACIONES

AUTORES:

Bastidas Chiquito Nixon Andrés

Santacruz Salazar Diego Fernando

TUTOR: Ing. Rodríguez López William Andrés, M.Sc.

GUAYAQUIL – ECUADOR 2019

REPOSITORIO NACIONAL EN CIENCIAS Y TECNOLOGIA FICHA DE REGISTRO DE TESIS TITULO: “Diseño de un sistema de monitoreo para contenedores de basura mediante la arquitectura de redes de sensores inalámbricos (WSN) para optimizar recursos, haciendo uso de la tecnología Open Source.”

REVISOR: Padilla Gómez Renzo INSTITUCIÓN: Universidad de FACULTAD: Ciencias Matemáticas y Guayaquil Físicas. CARRERA: Ingeniería en Networking y Telecomunicaciones FECHA DE PUBLICACIÓN: 2019 N° DE PAGS: 193 AREA TEMÁTICA: Tecnología de la Información y Telecomunicaciones PALABRA CLAVES: Raspberry Pi, Amazon Web Services, instancias EC2, microservicios, TSP, geolocalización, cloud computing, sensores, telemetría. RESUMEN: El proyecto de tesis se presenta como solución a la problemática que tiene el servicio de recolección de basura de la ciudad de Guayaquil, en la cual la tasa de volumen diaria y la mala gestión, provoca que los contenedores sobrepasen su límite establecido y causen diversos problemas ambientales y de salud. Por tal razón, se diseñará una red de sensores inalámbricos para medir el nivel de llenado del contenedor en tiempo real a través de un aplicativo web. N° DE REGISTRO: N° DE CLASIFICACIÓN: DIRECCIÓN URL: ADJUNTO PDF: SI NO 퐱 CONTACTO CON AUTOR: Teléfono: E- mail: Bastidas Chiquito Nixon Andrés 0990854343 [email protected] Santacruz Salazar Diego Fernando 0986178584 [email protected] CONTACTO DE LA INSTITUCIÓN: Nombre: Secretaría de la Facultad Teléfono: 042307729

APROBACION DEL TUTOR En mi calidad de Tutor del trabajo de titulación, “Diseño de un sistema de monitoreo para contenedores de basura mediante la arquitectura de redes de sensores inalámbricos (WSN) para optimizar recursos, haciendo uso de la tecnología Open Source.” elaborado por los Sres. Bastidas Chiquito Nixon Andrés y Santacruz Salazar Diego Fernando, Alumnos no titulados de la Carrera de Ingeniería en Networking y Telecomunicaciones, Facultad de Ciencias Matemáticas y Físicas de la Universidad de Guayaquil, previo a la obtención del Título de Ingeniero en Networking y Telecomunicaciones, me permito declarar que luego de haber orientado, estudiado y revisado, la apruebo en todas sus partes.

Atentamente

______

Ing. Rodríguez López William Andrés, M.Sc.

DEDICATORIA

Este proyecto de titulación está dedicado principalmente a mis padres, los cuales me apoyaron, estuvieron a mi lado y creyeron en mí desde el inicio de la carrera, alentándome a seguir adelante, perseverando, dando lo mejor de mí y no abandonar lo que empecé hasta culminarlo, todo este esfuerzo, dedicación es para ellos, por amor a ellos y por gratitud.

Atte. Bastidas Chiquito Nixon Andrés

Dedico este trabajo de titulación, de manera muy especial a mis padres y hermano por brindarme el apoyo incondicional en mi carrera universitaria, este logro se los dedico con mucho cariño y orgullo porque sé que ellos también se sienten orgullosos de mí, por medio de esta dedicatoria expreso mi enorme amor que siento por ellos y por ser las mejores personas que tengo en mi vida.

Atte. Santacruz Salazar Diego Fernando

AGRADECIMIENTO

Estoy agradecido con Dios por darme vida y por poner a las personas correctas e importantes en mi vida, le agradezco mucho a Dios por permitirme llegar hasta este momento importante de mi vida, el cual me permitirá avanzar a un nuevo nivel de estudios, le agradezco también a mis padres, los cuales siempre estuvieron para mí en todo momento, y estaré eternamente agradecido por cada una de las personas que permaneció a mi lado, me brindaron su apoyo, y me aconsejaron, gracias por ser como mi familia en todo momento y por estar dispuestos a ayudarme. ¡Dios les bendiga!

Atte. Bastidas Chiquito Nixon Andrés

III

Agradezco a Dios por brindarme salud, sabiduría en mi vida. A mi madre Abg. Grace Marina Salazar Esteves, por el enorme cariño que me brinda, por su enseñanza de vida para ser un mejor humano, por la motivación, apoyo y consejos brindados. A mi padre Ing. Manuel Adriano Santacruz Cruz por apoyarme en cada momento desde mi niñez y enseñarme en asignaturas durante mi etapa estudiantil. A mi hermano Manuel Alejandro Santacruz Salazar por ser un gran compañero de vida.

Atte. Santacruz Salazar Diego Fernando

TRIBUNAL PROYECTO DE TITULACIÓN

______Ing. Fausto Cabrera Montes, M.Sc. Ing. Abel Alarcón Salvatierra, M.Sc. DECANO DE LA FACULTAD DIRECTOR DE LA CARRERA DE CIENCIAS MATEMATICAS Y INGENIERÍA EN NETWORKING Y FISICAS TELECOMUNICACIONES

______Ing. Renzo Padilla Gómez, M.Sc. Ing. Christian Antón Cedeño, M.Sc. PROFESOR REVISOR DEL ÁREA PROFESOR REVISOR DEL ÁREA TRIBUNAL TRIBUNAL

______Ing. William Rodríguez López, M.Sc. PROFESOR TUTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN

______Ab. Juan Chávez Atocha, Esp. SECRETARIO TITULAR

DECLARACIÓN EXPRESA

“La responsabilidad del contenido de este Proyecto de titulación, me corresponden exclusivamente; y el patrimonio intelectual de la misma a la UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL”

Bastidas Chiquito Nixon Andrés

Santacruz Salazar Diego Fernando

UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS Y FÍSICAS CARRERA DE INGENIERIA EN NETWORKING Y TELECOMUNICACIONES

DISEÑO DE UN SISTEMA DE MONITOREO PARA CONTENEDORES DE BASURA MEDIANTE LA ARQUITECTURA DE REDES DE SENSORES INALÁMBRICOS (WSN) PARA OPTIMIZAR RECURSOS, HACIENDO USO DE LA TECNOLOGÍA OPENSOURCE.

Proyecto de titulación que se presenta como requisito para optar por el título de INGENIERO EN NETWORKING Y TELECOMUNICACIONES

Autores: BASTIDAS CHIQUITO NIXON ANDRÉS C.I. 0950426544 SANTACRUZ SALAZAR DIEGO FERNANDO C.I. 0924177017

Tutor: Ing. Rodríguez López William Andrés, M.Sc.

Guayaquil, 15 de Octubre del 2019

III

CERTIFICADO DE ACEPTACIÓN DEL TUTOR En mi calidad de Tutor del proyecto de titulación, nombrado por el Consejo Directivo de la Facultad de Ciencias Matemáticas y Físicas de la Universidad de Guayaquil.

CERTIFICO: Que he analizado el Proyecto de Titulación presentado por los estudiantes Nixon Andrés Bastidas Chiquito y Diego Fernando Santacruz Salazar, como requisito previo para optar por el título de Ingeniero en Networking y Telecomunicaciones cuyo tema es:

“Diseño de un sistema de monitoreo para contenedores de basura mediante la arquitectura de redes de sensores inalámbricos (WSN) para optimizar recursos, haciendo uso de la tecnología Open Source.”

Considero aprobado el trabajo en su totalidad.

Presentado por:

BASTIDAS CHIQUITO NIXON ANDRÉS C.I. 0950426544 SANTACRUZ SALAZAR DIEGO FERNANDO C.I. 0924177017

Tutor: Ing. Rodríguez López William Andrés, M.Sc.

Guayaquil, 15 de Octubre del 2019

UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS Y FÍSICAS CARRERA DE INGENIERIA EN NETWORKING Y TELECOMUNICACIONES

Autorización para Publicación de Proyecto de Titulación en Formato Digital

1. Identificación del Proyecto de Titulación Nombre del Alumno: Nixon Andrés Bastidas Chiquito Dirección: Guasmo Central Centros Coop. Nueva Granada Mz 23 Solar 10 Teléfono: 0990854343 E-mail: [email protected] Nombre del Alumno: Diego Fernando Santacruz Salazar Dirección: Duran – Cdla. Rina Ortiz de Bucaram Teléfono: 0986178584 E-mail: [email protected]

Facultad: De Ciencias Matemáticas y Físicas Carrera: Ingeniería en Networking y Telecomunicaciones Título al que opta: Ingeniero en Networking y Telecomunicaciones Profesor tutor: Ing. William Andrés Rodríguez López, M.Sc.

Título del Proyecto de titulación: “Diseño de un sistema de monitoreo para contenedores de basura mediante la arquitectura de redes de sensores inalámbricos (WSN) para optimizar recursos, haciendo uso de la tecnología Open Source.”

Tema del Proyecto de Titulación: Raspberry Pi, Amazon Web Services, instancias EC2, microservicios, TSP, geolocalización, cloud computing, sensores, telemetría.

2. Autorización de Publicación de Versión Electrónica del Proyecto de Titulación A través de este medio autorizo a la Biblioteca de la Universidad de Guayaquil y a la Facultad de Ciencias Matemáticas y Físicas a publicar la versión electrónica de este Proyecto de Titulación.

Publicación electrónica:

Inmediata X Después de 1 año

Firma Alumno:

Bastidas Chiquito Nixon Andrés Santacruz Salazar Diego Fernando

3. Forma de envió: El texto del proyecto de titulación debe ser enviado en formato Word, como archivo .Doc. O .RTF y. Puf para PC. Las imágenes que la acompañen pueden ser: .gif, .jpg o .TIFF.

DVDROM CDROM X

ÍNDICE GENERAL

APROBACION DEL TUTOR ...... I

DEDICATORIA ...... II

AGRADECIMIENTO ...... III

TRIBUNAL PROYECTO DE TITULACIÓN ...... V

DECLARACIÓN EXPRESA ...... II

CERTIFICADO DE ACEPTACIÓN DEL TUTOR ...... IV

ÍNDICE GENERAL ...... VII

ABREVIATURAS ...... XIV

SIMBOLOGÍA ...... XV

ÍNDICE DE CUADROS ...... XVI

ÍNDICE DE GRÁFICOS ...... XVII

RESUMEN ...... XXII

ABSTRACT ...... XXIII

INTRODUCCIÓN ...... 1

CAPÍTULO I ...... 4

EL PROBLEMA ...... 4

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA...... 4

UBICACIÓN DEL PROBLEMA EN UN CONTEXTO ...... 4

SITUACIÓN CONFLICTO. NUDOS CRÍTICOS ...... 5

DELIMITACIÓN DEL PROBLEMA ...... 7

FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ...... 8

EVALUACIÓN DEL PROBLEMA ...... 8

OBJETIVOS ...... 9

Objetivo general ...... 9

Objetivos específicos ...... 9

VII

ALCANCE DEL PROBLEMA...... 9

JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA ...... 10

METODOLOGÍA DEL PROYECTO ...... 10

Proceso de inicio ...... 11

Proceso de planificación ...... 11

Proceso de ejecución y control ...... 11

Proceso de finalización del proyecto ...... 11

CAPÍTULO II ...... 12

MARCO TEÓRICO ...... 12

ANTECEDENTES DEL ESTUDIO ...... 12

FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA ...... 15

La Basura ...... 16

Basura orgánica ...... 16

Basura inorgánica ...... 17

Desechos peligrosos ...... 17

Métodos para procesar basura ...... 18

Valorización ...... 18

Vertederos ...... 19

Incineración ...... 20

Reciclaje...... 21

Sistemas de recolección de la basura ...... 22

Procesos de recolección de desechos solidos ...... 23

Recolección selectiva ...... 23

Recolección no selectiva ...... 24

Rutas de recolección ...... 25

Macro ruteo ...... 26

Micro ruteo ...... 28

VIII

Recorrido en peine ...... 29

Recorrido en doble peine ...... 29

Frecuencia de recolección ...... 30

Diaria ...... 30

Inter diaria ...... 30

Dos veces por semana ...... 31

Una vez por semana ...... 31

Automatización de Procesos ...... 32

Automatización fija ...... 33

Automatización programable ...... 33

Automatización flexible ...... 34

Sensores ...... 35

Sensor de aceleración ...... 35

Sensor de velocidad ...... 35

Captador de esfuerzo ...... 36

Sensor de ultrasonido ...... 36

Captador de circuito oscilante ...... 36

Sensor de contacto ...... 36

Captador fotoeléctrico...... 36

Sensor térmico ...... 36

Sensor de humedad ...... 36

Sensor magnético ...... 36

Sensor de infrarrojo ...... 37

Sensor de nivel ...... 37

Sensor de ultrasonido ...... 38

Microcomputadores ...... 39

Red de sensores Inalámbricos...... 40

Topología en estrella ...... 41

Topología de malla ...... 41

Topología en árbol ...... 42

Topología mixta ...... 42

Tendencias Tecnológicas ...... 42

Dispositivos autónomos ...... 42

Redes 5G ...... 43

Analítica aumentada ...... 43

Inteligencia Artificial ...... 43

Aplicaciones Basadas en Blockchain ...... 43

Ciudades Inteligentes ...... 43

Internet de las Cosas ...... 44

Los nodos ...... 45

Internet ...... 45

Sistema de procesamiento ...... 46

Computación en la nube ...... 46

Infraestructura como Servicio (IaaS) ...... 51

Plataforma como Servicio (PaaS) ...... 51

Software como Servicio (SaaS) ...... 51

Microservicios ...... 51

Casos de éxitos implementados con Microservicios ...... 52

Netflix ...... 52

Amazon ...... 52

EBay ...... 52

Modelos matemáticos para optimización de rutas ...... 53

Algoritmos exactos ...... 53

Algoritmos heurísticos ...... 53

Problema del agente viajero – TSP ...... 54

Simétrico ...... 55

Asimétrico ...... 55

Método de fuerza bruta ...... 55

Método del vecino más cercano ...... 56

Método de heurística de inserción ...... 57

Eficiente ...... 58

Bueno ...... 58

Robusto ...... 58

FUNDAMENTACIÓN LEGAL ...... 59

PREGUNTA CIENTÍFICA A CONTESTARSE ...... 66

DEFINICIONES CONCEPTUALES ...... 66

Open Source ...... 66

Algoritmo ...... 67

Computación en la nube ...... 67

Microcomputadora ...... 67

Virtualización ...... 67

Sensor ...... 67

WSN...... 67

CAPÍTULO III ...... 68

PROPUESTA TECNOLÓGICA ...... 68

ANÁLISIS DE FACTIBILIDAD ...... 68

Factibilidad técnica ...... 70

Factibilidad legal ...... 72

Factibilidad económica ...... 73

ETAPA DE LA METODOLOGÍA DEL PROYECTO ...... 75

ENTREGABLES DEL PROYECTO...... 77

CRITERIOS DE VALIDACIÓN DE LA PROPUESTA ...... 77

PROCESAMIENTO Y ANÁLISIS ...... 77

POBLACIÓN Y MUESTRA ...... 77

Población ...... 77

Muestra ...... 78

Cálculo del tamaño de la muestra ...... 78

Cálculo de la fracción muestral ...... 79

ANÁLISIS DE DATOS ...... 80

Análisis de la encuesta...... 80

CAPÍTULO IV ...... 88

CRITERIOS DE ACEPTACIÓN DEL PRODUCTO O SERVICIO ...... 88

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ...... 91

Conclusiones ...... 91

Recomendaciones ...... 92

BIBLIOGRAFÍA ...... 93

ANEXOS ...... 100

ANEXO 1 ...... 100

Cronograma del proyecto ...... 100

ANEXO 2 ...... 101

Encuesta ...... 101

ANEXO 3 ...... 104

Diseño, Instalación y Guía de Usuario ...... 104

Requerimientos funcionales del proyecto ...... 104

Proceso de instalación y configuración de la infraestructura en AWS ...... 106

Arquitectura de una Red de Sensores de Inalámbricos ...... 129

Sensor de Ultrasonido ...... 130

Raspberry Pi...... 131

XII

Pasos para instalar el sistema operativo Raspbian: ...... 132

Integración de la red de sensores inalámbricas y guía de usuario del aplicativo web...... 148

ANEXO 4 ...... 154

Análisis y evaluación de rendimiento de la red de sensores inalámbricos y aplicativo web...... 154

ANEXO 5 ...... 163

Prototipo del diseño de un contenedor de basura autónomo para la medición del nivel de llenado de residuos sólidos...... 163

ANEXO 6 ...... 164

XIII

ABREVIATURAS

ABP Aprendizaje Basado en Problemas UG Universidad de Guayaquil FTP Archivos de Transferencia g.l. Grados de Libertad HTML Lenguaje de Marca de salida de Hyper Texto HTTP Protocolo de transferencia de Hyper Texto Ing. Ingeniero CC.MM.FF Facultad de Ciencias Matemáticas y Físicas ISP Proveedor de Servicio de Internet Mtra. Maestra M.Sc. Máster URL Localizador de Fuente Uniforme AWS Amazon Web Services TCP Protocolo de Control de Transmisión TI Technology Information DNS Domain Name System IEEE Instituto de Ingeniería Eléctrica y Electrónica PMI Project Management Institute VM Virtual Machine GNU GNU's Not UNIX EC2 Amazon Elastic Compute Cloud RDS Amazon Relational Database Service S3 Amazon Simple Storage Service VPC Amazon Virtual Private Cloud IAM Identity and Access Management JDK Java Development Kit API Application Programming Interface

XIV

SIMBOLOGÍA s Desviación estándar e Error E Espacio muestral E(Y) Esperanza matemática de la v.a. y s Estimador de la desviación estándar e Exponencial V Voltios A Amperios W Vatios

ÍNDICE DE CUADROS

CUADRO No. 1 Hogares afectados al menos con un problema ambiental ...... 5 CUADRO No. 2 Causas y Consecuencias del problema ...... 7 CUADRO No. 3 Delimitación del problema ...... 7 CUADRO No. 4 Recursos de Hardware...... 71 CUADRO No. 5 Recursos de Software ...... 72 CUADRO No. 6 Costo Mensual de los Recursos de AWS ...... 73 CUADRO No. 7 Costo del Hardware Utilizado por Contenedor ...... 74 CUADRO No. 8 Costo total del Prototipo ...... 75 CUADRO No. 9 Tamaño de la muestra ...... 79 Cuadro No. 10 Matriz de criterios de aceptación ...... 89 CUADRO No. 11 Prueba técnica del sensor ultrasonido ...... 131

XVI

ÍNDICE DE GRÁFICOS

Gráfico No. 1 Tipos de camiones recolectores de desechos sólidos ...... 13 Gráfico No. 2 Waspmote Tecnología Inalámbrica para monitoreo ...... 14 Gráfico No. 3 Residuos Orgánicos ...... 17 Gráfico No. 4 Residuos Inorgánicos ...... 17 Gráfico No. 5 Desechos Peligrosos ...... 18 Gráfico No. 6 Códigos de colores para separación de residuos ...... 18 Gráfico No. 7 Valorización de los desechos sólidos ...... 19 Gráfico No. 8 Vertederos controlados ...... 20 Gráfico No. 9 Tratamiento por incineración ...... 21 Gráfico No. 10 Puntos limpios, proceso de reciclaje...... 21 Gráfico No. 11 Proceso de gestión de desechos sólidos ...... 22 Gráfico No. 12 Procesos del Modelo de Gestión integral de residuos sólidos .... 23 Gráfico No. 13 Gestión de los residuos sólidos urbanos ...... 24 Gráfico No. 14 Contenedor con desechos sólidos sin clasificar ...... 24 Gráfico No. 15 Centros de acopio de basura en la ciudad de Guayaquil...... 26 Gráfico No. 16 Centro de acopio Bahía, centro de la ciudad de Guayaquil ...... 27 Gráfico No. 17 Contenedores del Centro de acopio Bahía...... 27 Gráfico No. 18 Mapa de micro rutas en Guayaquil, Zona Norte y Centro ...... 28 Gráfico No. 19 Recorrido en peine ...... 29 Gráfico No. 20 Recorrido en doble peine ...... 30 Gráfico No. 21 Frecuencias y horarios de recolección en Guayaquil ...... 31 Gráfico No. 22 Automatización de procesos - BPM ...... 32 Gráfico No. 23 Automatización y robótica industrial ...... 33 Gráfico No. 24 Controladores inteligentes PLC ...... 34 Gráfico No. 25 Automatización flexible ...... 34 Gráfico No. 26 Magnitudes detectadas por sensores ...... 35 Gráfico No. 27 Clasificación de los sensores ...... 37 Gráfico No. 28 Fundamento físico del sensor de ultrasonido ...... 38 Gráfico No. 29 Sensor de ultrasonido HC-SR04 ...... 39 Gráfico No. 30 Microcomputador Raspberry Pi...... 40 Gráfico No. 31 Arquitectura de un nodo sensor ...... 41

XVII

Gráfico No. 32 Topologías comunes de redes inalámbricas ...... 42 Gráfico No. 33 Evolución de las tendencias tecnológicas ...... 44 Gráfico No. 34 Internet de las Cosas ...... 45 Gráfico No. 35 Sistemas Inteligentes para IoT...... 46 Gráfico No. 36 Aprovisionamiento de recursos en la nube ...... 47 Gráfico No. 37 Inversión en TIC por el tamaño de la empresa...... 48 Gráfico No. 38 Colas elásticas de mensajes para comunicación ...... 49 Gráfico No. 39 Arquitectura de Streaming para video implementada en AWS ... 50 Gráfico No. 40 Clasificación de los tipos de servicios en la nube ...... 51 Gráfico No. 41 Arquitectura de Microservicios ...... 52 Gráfico No. 42 Grafo Método de fuerza bruta ...... 55 Gráfico No. 43 Grafo Método del vecino más cercano ...... 56 Gráfico No. 44 Grafo Método de heurística de inserción ...... 58 Gráfico No. 45 Arquitectura de la plataforma ...... 69 Gráfico No. 46 AWS líder tecnológico de infraestructura en la nube ...... 71 Gráfico No. 47 Aplicar tecnología en el proceso de recolección de basura ...... 80 Gráfico No. 48 Invertir en una solución tecnológica para mejorar el servicio ..... 81 Gráfico No. 49 Sistema de monitoreo puede ayudar a optimizar rutas ...... 82 Gráfico No. 50 Sectores afectados ambientalmente...... 83 Gráfico No. 51 Tecnología siendo aliado estratégico para el medio ambiente ... 84 Gráfico No.52 Efectos que ocasionan los colapsos de los contenedores ...... 85 Gráfico No. 53 Aplicar un Sistema de Monitoreo en Contenedores ...... 86 Gráfico No. 54.Empresas aplicando tecnología para medir desechos ...... 87 Gráfico No. 55 Cronograma del proyecto ...... 100 Gráfico No. 56 Visita a los centros de acopio de basura ...... 103 Gráfico No. 57 Arquitectura del proyecto ...... 105 Gráfico No. 58 Página principal de login de la consola AWS ...... 106 Gráfico No. 59 Consola de administración de AWS ...... 107 Gráfico No. 60 Despliegue de instancias EC2 en AWS ...... 107 Gráfico No. 61 Creando una instancia EC2 en la región de N. Virginia ...... 108 Gráfico No. 62 Seleccionar una imagen AMI para la instancia EC2 ...... 108 Gráfico No. 63 Seleccionar el tipo de instancia EC2 a desplegar ...... 109 Gráfico No. 64 Configurar el detalle de configuración de la instancia EC2 ...... 109 Gráfico No. 65 Agregar un volumen de almacenamiento a la instancia EC2 ... 110

XVIII

Gráfico No. 66 Configurando un grupo de seguridad en la instancia EC2 ...... 110 Gráfico No. 67 Instancia EC2 por desplegar en la región Norte de Virginia ..... 111 Gráfico No. 68 Seleccionar el Key Pair creado en la región Norte Virginia ...... 111 Gráfico No. 69 Visualizar el Key Pair creado en la región Norte de Virginia ..... 112 Gráfico No. 70 Instancia EC2 desplegada en la región Norte de Virginia ...... 112 Gráfico No. 71 Panel de mando, instancias EC2 desplegadas en Virginia ...... 113 Gráfico 72 Llave privada para conectarse remotamente mediante SSH ...... 113 Gráfico No. 73 Guardar la llave privada generada desde el Key Pair ...... 114 Gráfico No. 74 Usando PuTTY para conectarse remotamente a AWS ...... 114 Gráfico No. 75 Asociar la llave privada a una sesión SSH en AWS...... 115 Gráfico No. 76 Instancia EC2 ejecutada en la región Norte de Virginia ...... 115 Gráfico No. 77 Pantalla de inicio del servidor de aplicaciones Wildfly ...... 119 Gráfico No.78 Creación de usuario y grupo para el servidor de aplicaciones .. 119 Gráfico No. 79 Pantalla de administración, servidor de aplicaciones WildFly ... 120 Gráfico No. 80 Pantalla de creación de una instancia de base de datos ...... 120 Gráfico No. 81 Seleccionar motor base de datos MySQL en AWS ...... 121 Gráfico No. 82 Parámetros iniciales del motor de base de datos MySQL ...... 121 Gráfico No. 83 Parámetros iniciales del motor de base de datos MySQL ...... 122 Gráfico No. 84 Creando grupo de seguridad para el motor de base de datos .. 122 Gráfico No. 85 Integrando la base de datos con el servidor de aplicaciones ... 123 Gráfico No. 86 Servidor aplicación WildFly ejecutándose en instancia EC2 .... 123 Gráfico No. 87 Dominio registrado en la consola de Amazon Web Services ... 124 Gráfico No. 88 Asociar dirección IP publica en región Norte de Virginia ...... 124 Gráfico No. 89 Seleccionar el ámbito de la IP elástica ...... 125 Gráfico No. 90 Dirección IP elástica creada en Amazon Web Services ...... 125 Gráfico No. 91 Seleccionar instancia EC2 para asociarla con una IP elástica . 126 Gráfico No. 92 Dashboard de instancias EC2 desplegadas en Amazon Web .. 126 Gráfico No. 93 Dashboard de administración de DNS...... 127 Gráfico No. 94 Crear una zona hospedada en Amazon Web Services ...... 127 Gráfico No. 95 Crear un nombre de dominio en Amazon Web Services ...... 128 Gráfico No. 96 Nombres de dominios registrados en Amazon Web Services .. 128 Gráfico No. 97 Asociar la dirección IP pública en la región Norte de Virginia ... 129 Gráfico No. 98 Esquema de un nodo de monitoreo en tiempo real...... 130 Gráfico No. 99 Sensor de ultrasonido ...... 130

XIX

Gráfico No. 100 Raspberry Pi ...... 131 Gráfico No. 101 Tarjeta MicroSD para almacenar el sistema operativo ...... 132 Gráfico No. 102 Software Raspbian ...... 132 Gráfico No. 103 Tarjeta MicroSD...... 133 Gráfico No. 104 Formatear e instalar la distribución de Linux en la microSD ... 133 Gráfico No. 105 Tarjeta MicroSD lista para ser utilizada ...... 134 Gráfico No. 106 Habilitar el puerto 22 de conexión remota ...... 134 Gráfico No. 107 Conexión mediante PuTTY a la Raspberry mediante SSH .... 135 Gráfico No. 108 Consola de Linux mediante conexión SSH ...... 135 Gráfico No. 109 Consola de Linux mediante conexión SSH ...... 140 Gráfico No. 110 Tablas de base de datos que contiene las lecturas tomadas . 141 Gráfico No. 111 IDE de desarrollo NetBeans 8.2 ...... 141 Gráfico No.112 Archivo persistence.xml para configurar el pool de datos ...... 142 Gráfico No. 113 Servidor de aplicaciones WildFly ejecutándose ...... 142 Gráfico No. 114 Integración de un datasources con el servidor ...... 143 Gráfico No. 115 Esquema conexión sensor de ultrasonido con Raspberry Pi .. 144 Gráfico No. 116 Divisor de voltaje para conectar pin echo con Raspberry Pi ... 144 Gráfico No. 117 Circuito electrónico del sensor de ultrasonido ...... 145 Gráfico No. 118 Esquema de conexión eléctrico ...... 145 Gráfico No. 119 Componentes electrónicos, eléctricos y de comunicaciones .. 146 Gráfico No. 120 Contenedores de basura que integrarán la red de sensores .. 146 Gráfico No. 121 Contenedores de basura parte trasera ...... 147 Gráfico No. 122 Sistema encendido, conectado a una batería y panel solar ... 147 Gráfico No. 123 Pantalla de inicio de aplicativo web ...... 148 Gráfico No. 124 Pantalla Rutas de la opción de monitoreo ...... 149 Gráfico No. 125 Visualizando la mejor ruta de recolección ...... 149 Gráfico No. 126 Contenedor color verde, valor medido 10% de llenado ...... 150 Gráfico No. 127 Contenedor color naranja, valor medido de 75% ...... 150 Gráfico No. 128 Contenedor color rojo, valor medido de 79.04% ...... 151 Gráfico No. 129 opción Matriz de Distancia de la pantalla de Monitoreo ...... 151 Gráfico No. 130 Opción Nodos, se visualiza todos los nodos ingresados ...... 152 Gráfico No. 131 Opción Nodos, ingresar nuevo nodo a la red de sensores ..... 152 Gráfico No. 132 Opción Nodos, se eliminará un nodo en la red de sensores . 153 Gráfico No. 133 Herramienta PostMan, desarrollar y probar servicios web ..... 153

Gráfico No. 134 Parametrización de JMTER ...... 154 Gráfico No. 135 Programa JMTER para pruebas transaccionales...... 155 Gráfico No. 136 Parametrización de las pruebas técnicas ...... 155 Gráfico No. 137 Resultado de parametrización de las consultas enviadas ...... 156 Gráfico No. 138 Resultado de las pruebas técnicas realizadas ...... 157 Gráfico No. 139 Resultado de la encuesta - gráficos ...... 157 Gráfico No. 140 Resultado de las pruebas técnicas ...... 158 Gráfico No. 141 Rendimiento del sistema ...... 158 Gráfico No. 142 Dashboard de rendimiento de la instancia EC2 ...... 159 Gráfico No. 143 Rendimiento del bloque de almacenamiento de información . 159 Gráfico No. 144 Rendimiento del bloque de almacenamiento de información . 160 Gráfico No. 145 Rendimiento del bloque de almacenamiento de información . 160 Gráfico No. 146 Rendimiento del bloque de almacenamiento de información . 161 Gráfico No. 147 Número de operaciones transaccionales procesadas ...... 161 Gráfico No. 148 Número sesiones activas en las pruebas transaccionales ..... 162 Gráfico No. 149 Diseño de un contenedor de basura autónomo ...... 163

XXI

UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL FACULTAD DE CIENCIAS MATEMATICAS Y FISICAS CARRERA DE INGENIERIA EN NETWORKING Y TELECOMUNICACIONES

DISEÑO DE UN SISTEMA DE MONITOREO PARA CONTENEDORES DE BASURA MEDIANTE LA ARQUITECTURA DE REDES DE SENSORES INALÁMBRICOS (WSN) PARA OPTIMIZAR RECURSOS, HACIENDO USO DE LA TECNOLOGÍA OPEN SOURCE.

Autores: Bastidas Chiquito Nixon Andrés Santacruz Salazar Diego Fernando

Tutor: Ing. Rodríguez López William Andrés, M.Sc.

RESUMEN El presente proyecto de tesis se presenta como solución a la problemática que tiene el servicio de recolección de basura de la ciudad de Guayaquil, en la cual la tasa de volumen de basura que se genera diariamente y la mala gestión provoca que los contenedores sobrepasen su límite establecido y comiencen a desbordarse, esto causará efectos colaterales como son: enfermedades, contaminación ambiental, obstrucción de alcantarillas, inundaciones en temporadas de invierno y finalmente una mala imagen de la ciudad. Por tal razón, se diseñará una red de sensores inalámbricos integrada en cada nodo por un microcomputador que medirá el nivel de llenado del contenedor en tiempo real, y a su vez enviará la información a través de una API expuesta como servicio público en Amazon Web Services en donde está desplegada la aplicación web desarrollada para visualizar las rutas óptimas de recolección de basura, mediante un algoritmo especializado que permitirá disminuir tiempo, costo y recursos de personal operativo para brindar un servicio de calidad a los ciudadanos.

XXII

UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL FACULTAD DE CIENCIAS MATEMATICAS Y FISICAS CARRERA DE INGENIERIA EN NETWORKING Y TELECOMUNICACIONES

DESIGN OF A GARBAGE CONTAINER MONITORING SYSTEM USING A WIRELESS SENSOR NETWORK (WSN) ARCHITECTURE THAT ALLOWS OPTIMIZING OPERATIONAL RESOURCES OF THE SOLID WASTE COLLECTION SERVICE THROUGH OPENSOURCE TECHNOLOGY.

Autores: Bastidas Chiquito Nixon Andrés Santacruz Salazar Diego Fernando

Tutor: Ing. Rodríguez López William Andrés, M.Sc.

ABSTRACT This thesis project is presented as a solution to the problem of the garbage collection service of the city of Guayaquil, in which the volume of waste generated by the days and the mismanagement causing the containers to exceed their limit established and begin to overflow, this will cause side effects such as: diseases, environmental pollution, sewer obstruction, flooding in winter seasons and finally a bad image of the city. For this reason, a network of wireless sensors integrated in each node will be designed by a microcomputer that will measure the container level of the container in real time, and in turn sending the information through an API exposed as a public service in Amazon Web Services in where the web application developed to visualize the optimal garbage collection routes is deployed, through a specialized algorithm that can reduce the time, cost and resources of operational personnel to provide a quality service to citizens.

XXIII

INTRODUCCIÓN Actualmente, los servicios de recolección de desechos sólidos son administrados por empresas públicas o privadas a cargo de los municipios del Ecuador, las cuales tienen la obligación de cumplir con las normas y estatus municipales, leyes estatales e internacionales del medio ambiente y la gestión integral de desechos sólidos no peligrosos. Estas actividades son realizadas frecuentemente en base a estudios demográficos y la experiencia de la empresa participante para garantizar un nivel de calidad aceptable del servicio. Los ciudadanos son parte del proceso de recolección, los cuales deben cumplir con los horarios establecidos, el sellado y la clasificación, y finalmente la disposición final en cada centro de acopio o contenedor de basura. La gestión de la basura es un proceso critico en cada ciudad debido a que esta puede ocasionar problemas directos e indirectos con un alto impacto financiero para el estado y la ciudadanía en común, entre los principales problemas se encuentran: la contaminación ambiental, las enfermedades, plagas, deterioro de la ciudad, etc.

Estas empresas han evolucionado tecnológicamente con el pasar de los años, comenzado con actualizar las flotas de vehículos de recolección, las cuales tienen características especiales que permiten un mejor desempeño como son: capacidad de recolección, mecanismos de compactación, ahorro de combustible, acoplamiento de palas mecánicas y mejor distribución de la carga. Si bien es cierto, esto ayuda al servicio de recolección, los volúmenes generados diariamente de basura requieren de otras metodologías y tecnologías para optimizar los recursos estratégicos de la ciudad y la empresa que brinda el servicio. Las nuevas tendencias tecnológicas aparecen para resolver muchas de las necesidades actuales de la industria, por ejemplo: la red de sensores inalámbricos permite que cientos de dispositivos electrónicos se puedan ubicar de manera autónoma y distribuida estratégicamente para medir muchos factores físicos y convertirlos en información útil para la toma de decisiones. Esto combinado con el poder de la nube de computación permiten desplegar desde simples hasta complejas infraestructuras tecnológicas en cuestión de minutos con el menor costo posible y tiempo.

La información es un activo tecnológico valioso, que cuando es explotado correctamente se genera en un aliado estratégico de las organizaciones. En el mundo, por cada segundo se generan grandes cantidades de datos que son procesadas por centros de datos y algoritmos especializados para fines comunes de mercadeo, análisis de situaciones y comportamiento del consumidor. El internet de las cosas ha dado lugar a la combinación de varios paradigmas tecnológicos, este proyecto se centra en las redes de sensores inalámbricos y la geolocalización para ubicar en tiempo real cada dispositivo electrónico y así generar contenido personalizado y relevante en línea para ser consumido por diversos aplicativos, esto permite agilizar y optimizar otros procesos que se basan en la información procesada. Estos servicios están diseñados bajo arquitecturas de software que permiten ser escalables, flexibles y seguras a través de un conjunto de API’s.

Todos los detalles de instalación, configuración, despliegue y uso de la solución tecnológica de monitoreo en tiempo real, se los puede encontrar dentro de los anexos de este proyecto. En el cual, se creará una infraestructura dentro de Amazon Web Services, que constará de una instancia EC2 para el servidor de aplicaciones, servicios DNS, un dominio público, esquemas de seguridad, base de datos relacional, componentes de almacenamiento de información y un sistema de microservicios desarrollado en java para desplegar un conjunto de API’s que permitirá interactuar con cada nodo electrónico que conforma la red de sensores electrónico.

A continuación, se detallará el contenido de cada capítulo que permitirá desarrollar la temática propuesta del proyecto de titulación.

Capítulo I: En este capítulo se define el planteamiento lógico del problema y la solución planteada a través del diseño de una red de sensores inalámbricos para medir el nivel de los contenedores de basura en tiempo real, así como las posibles causas y consecuencias, los objetivos y la justificación del proyecto.

Capítulo II: En este capítulo se detallan todos los fundamentos teóricos, técnicos y legales, que sentarán la base conceptual del proyecto propuesto.

Capítulo III: En este capítulo se describe metodológicamente cada etapa del proyecto de titulación a través de los análisis de factibilidad operacional, técnica, legal y económica que determinarán la viabilidad del proyecto.

Capítulo IV: En este último capítulo se muestran los resultados conseguidos a través de las pruebas técnicas realizadas, así como del análisis de necesidades y satisfacción del producto, para cumplir con los criterios de aceptación del proyecto en todas sus fases.

CAPÍTULO I EL PROBLEMA PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

UBICACIÓN DEL PROBLEMA EN UN CONTEXTO Actualmente en la ciudad de Guayaquil, la producción de desechos sólidos crece en relación con el número de habitantes y su estilo de vida, causando que los servicios de recolección de basura no abastezcan para todos los sectores en los horarios programados. Esto, tiene consecuencias colaterales para el medio ambiente y la salud de la población en general, lo cual se explica de la siguiente manera; al no contar con un sistema de recolección eficiente, la basura se acumula en los contenedores y en ocasiones llega a desbordarse, lo que provoca contaminación del suelo, agua y aire que ocasionan diversos problemas como colapsos de alcantarillas y por ende inundaciones, cerrando el ciclo con enfermedades intestinales, infecciones epidémicas , etc. ligadas al problema raíz y que deterioran la calidad de vida de los ciudadanos y la estética de la ciudad.

Este problema se presenta con mayor frecuencia en las grandes ciudades, donde la capacidad de recolección es insuficiente para su tamaño demográfico, lo que produce botaderos de basuras improvisados, contenedores colapsados y todos los inconvenientes desencadenados por una mala gestión de la basura. El servicio de recolección de basura tiene que luchar diariamente por recorrer todas las rutas programadas y a su vez cubrir la capacidad de los camiones recolectores. Adicional, las empresas que están destinadas a la prestación del servicio de la recolección de basura tienen una gestión ineficiente, deben contar con una flota de camiones con gran capacidad de almacenamiento, mapa de rutas específicas, que van de la mano con la distancia y el tiempo de recolección, estudio de crecimiento poblacional y análisis de zonas con mayor producción de desechos sólidos, para cumplir con las expectativas de brindar un buen servicio a la ciudadanía.

Un plan de rutas con un mal diseño provoca serios problemas al servicio de recolección, entre las más comunes son: lugares de acopio de basura en las calles, desbordamiento de basura en los contenedores, mayor carga de trabajo laboral, consumo elevado de combustible y disminución del tiempo de vida de los camiones.

SITUACIÓN CONFLICTO. NUDOS CRÍTICOS Un estudio realizado por la Estadística de Información Ambiental Económica en Gobiernos Autónomos Descentralizados Municipales y publicado por el INEC en el año 2016, indica que el promedio de producción per cápita de residuos sólidos en el área urbana es de 0.58 kg. La recolección de residuos sólidos diarios promedio es de 12.897,98 toneladas, mientras que la cobertura del servicio de recolección es de 88.7% para el año 2016, para el 2015 un 92.8% y para el 2014 un 84.9%, abarcando un área de 14.344,80 Km.

Para la ciudad de Guayaquil, se revela que el 47.24% de los ciudadanos clasifican sus residuos, el 52.76% de los ciudadanos no clasifican sus residuos, el 41.64% no lo realiza por falta de contenedores o por falta de centros de acopios para reciclaje, el 28.50% por falta de interés. El 14.82% por falta de conocimiento y el 92.21% por desconfianzas de los sistemas de recolección de residuos sólidos.

Los hogares que fueron afectados al menos con un problema ambiental en su barrio entre el año 2014 al 2016 según el INEC se lo especifica con porcentajes en el siguiente cuadro.

CUADRO No. 1 Hogares afectados al menos con un problema ambiental Año Desagregación Porcentaje 2014 Nacional 57,19% 2015 Nacional 57,60% 2016 Nacional 56,30% Elaboración: Grupo Técnico DEAGA Fuente: (Instituto Nacional de Estadística y Censos, 2016)

Los problemas financieros, según George Tchobanoglous, publicado en su libro Gestión Integral de Residuos Sólidos, indican que los costos de transporte varían entre el 30% al 70% del costo total logístico, esto asociado al costo actual del combustible, topología del terreno, rutas con alto tráfico y pagos de peaje.

La ciudad de Guayaquil está en constante crecimiento generando cada día toneladas de basura que deben ser recolectadas y procesadas adecuadamente en cada uno de los sitios de acopio ubicados estratégicamente en toda la ciudad, para lograr este objetivo las empresas que brindan el servicio de recolección de basura deben proveer de una flota de vehículos de recolección con gran capacidad, que recorrerá las rutas en los horarios establecidos por la municipalidad. Las ordenanzas municipales indican que la basura debe ser sacada sólo en los horarios permitidos, y esta debe ser almacenada en fundas correctamente selladas para luego ser ubicadas en los contenedores o botes de basura, según lo estipula el Municipio de Guayaquil con la ordenanza que norma el manejo de los desechos sólidos no peligrosos generados en el cantón Guayaquil en el Capítulo II Art.5 De la Prestación del Servicio. (M.I. Municipalidad de Guayaquil, 2018)

Cuando los controles logísticos no son adecuados se tiene un impacto mayor en el costo total de la gestión de recolección, las cuales son causados por falta de optimización del tiempo, uso de personal y consumo de combustible, además de generar problemas sociales que son colaterales de una contaminación ambiental como enfermedades, fallos en los sistemas de aguas lluvias, incremento en las tasas de impuestos por recolección y destinación de más fondos públicos para cubrir el déficit que genera la empresa de servicios de recolección.

CUADRO No. 2 Causas y Consecuencias del problema CAUSAS CONSECUENCIAS Desbordamiento de basura en Se produce contaminación ambiental en contenedores por falta de el suelo, agua y el aire, lo que provoca recolección diaria. una serie de infecciones que ocasionan enfermedades. Mala gestión de la logística de rutas Se consume mucho combustible y tiempo de recolección de basura. en rutas donde no hay gran demanda de recolección o puntos críticos. Incremento de botaderos de basura Colapso de los sistemas de alcantarillado clandestinos porque la capacidad provocando inundaciones y bloqueo del de recolección es insuficiente para tráfico terrestre. el tamaño demográfico. Falta de procesos automatizados Incrementar el personal, implicando una para la recolección de basura que inyección mayor de fondos públicos para permitan una evaluación de las abastecer el servicio de recolección en la rutas con mayor prioridad. ciudad. Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

DELIMITACIÓN DEL PROBLEMA

CUADRO No. 3 Delimitación del problema Campo: Tecnología Área: Networking y Telecomunicaciones Aspecto: Optimiza rutas para la recolección de basura mediante un sistema que usa plataforma libre y un microcomputador de consumo energético mínimo. Tema: Diseño de un sistema de monitoreo para contenedores de basura mediante la arquitectura de redes de sensores inalámbricos (WSN) para optimizar recursos, haciendo uso de la tecnología Open Source. Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

FORMULACIÓN DEL PROBLEMA Para optimizar la gestión logística del servicio de recolección de basura dentro de la ciudad de Guayaquil se formula la siguiente pregunta:

¿En qué forma contribuye un sistema automatizado de generación de rutas en la Ciudad de Guayaquil para la recolección de basura a partir de una red de sensores que midan el nivel de llenado en los contenedores?

EVALUACIÓN DEL PROBLEMA Delimitado: El sistema tomará datos del nivel de llenado de los contenedores de basura cada minuto, para efectos demostrativos, el cual utilizará sensores electrónicos conectados a un microcontrolador que procesará la información para ser visualizada en una interfaz web.

Evidente: La información procesada por los microcomputadores será enviada al personal encargado de la recolección de basura mediante un aplicativo web.

Factible: El proyecto propuesto es viable en tiempo y recursos, puesto que se utilizará software libre, los cuales no hacen uso de pago de licencias, se adaptan a las necesidades reales y su consumo de energía es mínima. El microcomputador Raspberry Pi es de bajo costo, será utilizado para adquirir y procesar la información recopilada por los sensores de ultrasonidos.

Original: En los repositorios centrales de la Universidad de Guayaquil y la Biblioteca General no dispone de un proyecto de similares características y funcionalidades para optimizar las rutas de recolección de basura mediante la medición en tiempo real del nivel de llenado de los contenedores y la distancia de recorrido entre cada uno de ellos.

Concreto: El proyecto tiene como fin optimizar las rutas de recolección de basura, así como la utilización de sensores electrónicos de ultrasonido adaptados a un microcomputador que servirá como procesador de información.

Identifica los productos esperados: El sistema propuesto permite que las empresas que brindan el servicio de recolección de basura automaticen sus procesos logísticos mediante rutas óptimas, utilizando software libre, frente a diversas soluciones de pago, las cuales tienen altos costos de implementación.

OBJETIVOS Objetivo general Implementar un sistema automatizado de generación de rutas de recolección de basura a partir de una red de sensores que medirán el nivel de llenado de los contenedores y que optimizarán los recursos logísticos del servicio, haciendo uso de software libre.

Objetivos específicos ● Describir conceptos de los componentes en el proceso de recolección de desechos sólidos. ● Desarrollar una interfaz web que permita visualizar las rutas de recolección, adaptable a cualquier dispositivo. ● Utilizar un algoritmo eficiente de elección de la ruta, para el acopio de basura según el volumen. ● Diseñar un sistema electrónico capaz de medir el nivel de llenado de los contenedores de basura mediante sensores de ultrasonido.

ALCANCE DEL PROBLEMA El presente proyecto constituye una parte de investigación y diseño, y por otro lado el desarrollo e implementación del sistema para la generación de rutas de recolección de basura, las cuales son obtenidas mediante un sensor de ultrasonido que está conectado a una interfaz electrónica programada en Python.

Raspberry Pi será utilizado como microcomputador el cual se conectará de manera automatizada a los servicios de Amazon Web Services para almacenar la información procesada en una base de datos MySQL. Esta información luego será invocada mediante un proceso Java que implementará el algoritmo de optimización de rutas logísticas Travelling Salesman Problem en su variante

fuerza bruta, el cual luego de devolver los resultados permitirá visualizar en un aplicativo web todas las rutas del recorrido a través del plugin Google Maps.

JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA El proceso de expansión urbana ha generado presiones crecientes sobre los servicios e infraestructura, entre ellos el servicio de acopio de basura, que genera efectos de destrucción ambiental por la mala gestión aplicada de las empresas recolectoras de basura, ejerciendo un fuerte impacto sobre la salud y el equilibrio ambiental, por este motivo se plantea una solución tecnológica para disminuir el impacto ambiental provocado por la basura que generan los ciudadanos y ahorrar recursos operativos.

Esta solución tecnológica se centra en dos componentes importantes, por un lado el monitoreo en tiempo real de los contenedores de basura ubicados en toda la ciudad y por otro lado, la optimización de las rutas de recolección de basura, buscando que los desechos sólidos no excedan los límites de capacidad del contenedor para que el conductor designado reciba la ruta optima de recolección en cualquier dispositivo móvil y las alarmas generadas en caso de sobrepasar los límites preestablecidos y así evitar contaminación del suelo, agua y el aire que generan diversas afecciones o enfermedades.

METODOLOGÍA DEL PROYECTO Este proyecto utilizará la metodología propuesta por el PMI (Project Management Institute), que promueve las buenas prácticas para la gestión de proyectos, haciendo uso de herramientas, métricas y una buena comunicación entre los interesados. EL PMI posee el libro Guide to the Project Management Body of Knowledge, (PMBOK® Guide), el cual es un libro de referencia o guía de aplicación.

Los procesos de gestión de un proyecto se especifican a continuación: ● Inicio. ● Planificación. ● Ejecución y control. ● Finalización del proyecto.

Proceso de inicio En esta etapa del proyecto, se definen los criterios iniciales, que dan origen al proyecto según la metodología PMI. Se gestionan todos los procesos documentales que darán inicio formalmente al proyecto como son: problema de estudio, objetivos generales y específicos, cronograma de trabajo y recursos a utilizar. Esto facilitará el análisis y aceptación del proyecto por parte del tutor de tesis de la Universidad de Guayaquil.

Proceso de planificación En esta fase del proyecto, se coordinan las actividades, cronograma, costo, tiempo y alcance. Se realizará una encuesta con preguntas dirigidas a la ciudadanía, personal de pequeñas y medianas empresas de Guayaquil como parte de la estrategia y análisis económico al cual estará dirigido nuestro servicio.

Proceso de ejecución y control En esta etapa del proyecto, se describen todos los procesos de diseño, desarrollo, e implementación, a la par con la ejecución y control de la solución propuesta.

El proyecto está dividido en las siguientes tareas:

● Arquitectura general de la solución tecnológica. ● Implementación de un modelo matemático para optimizar rutas. ● Desarrollo e implementación del aplicativo web. ● Evaluación y análisis de pruebas técnicas.

Proceso de finalización del proyecto Una vez finiquitada todas las etapas del proyecto, se generará el análisis correspondiente a la ejecución de las pruebas técnicas para concluir el proyecto con sus resultados, conclusiones y observaciones.

CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO ANTECEDENTES DEL ESTUDIO La eliminación de la basura ha sido desde siempre uno de los problemas más difíciles y costosos de tratar en las ciudades. Desde la antigüedad, uno de los principales medios para deshacerse de la basura era enterrándola en grandes hoyos, que actuaban como vertederos. Además, se conformaban equipos de hombres que iban a pie recogiendo los residuos que las personas tiraban libremente a las calles en carretas.

En épocas anteriores, la cultura de la sociedad no estaba enfocada plenamente en el aseo y limpieza de la ciudad, por lo que era muy común que la basura se tire en las calles, ríos o terrenos abandonados, esto ocasionaba a menudo enfermedades e incluso pandemias asociadas a esta problemática en la población. (Los residuos urbanos y su problemática, 2018)

En 1920 aparecieron los primeros camiones que sustituyeron a los carros tirados por caballos que se dedicaban a recolectar basura, los primeros modelos eran los Ford Modelo T, posteriormente en 1930 aparecieron los primeros camiones recolectores con un elevador que permitía subir la basura al balde, además de poseer un compactador, este permitió reducir en un 75% el esfuerzo realizado por el personal operativo y ampliar la capacidad de recolección (La historia de camiones de basura, 2019). En la actualidad, el servicio de recolección de basura es responsabilidad de los gobiernos autónomos descentralizados, ayuntamientos y municipios de cada ciudad, el cual se realiza de manera periódica y programada en los horarios y rutas establecidas.

Gráfico No. 1 Tipos de camiones recolectores de desechos sólidos

Elaboración: Pedro Soto. Fuente: (Gobierno de Cantabria, 2015)

Uno de los problemas más comunes que tienen las empresas que brindan este tipo de servicio, es que los camiones deben recorrer todas las rutas de las zonas urbanas durante un tiempo preestablecido y con los recursos operativos necesarios, para realizar esta labor se debe considerar los siguientes factores, tales como son: flota de camiones, personal operativo, distancia entre cada punto de recolección, capacidad de recolección, zona geográfica, etc. Otro punto importante que considerar es que muchas veces las rutas de recorridos no son óptimas, es decir se pierde mucho tiempo en recolectar una capacidad de volumen, también se tiene un mayor consumo de combustible y de carga operativa incrementando el costo logístico de la gestión de recolección de la basura, así mismo es importante que lo camiones puedan recolectar un volumen determinado frecuéntenme para evitar que esta se acumule y cree contaminación ambiental y por consecuente proliferación de enfermedades.

Cuando la gestión de recolección de basura no es óptima, esta se acumula, es más difícil de tratar y es desechada en lugares no permitidos. El calentamiento global es uno de los mayores problemas ambientales que tiene relación directa con la contaminación del aire, suelo y agua provocando derretimiento de los polos glaciares, inundaciones, destrucción de ecosistemas, cambio climático extremo,

etc. Adicional, de generar toda clase de enfermedades infecciosas y problemas sociales. Por tal razón, se tienen puntos clave para combatirlos y preservar la salud del planeta, los cuales son: el reciclaje, la reducción de partes contaminantes y la reutilización de recursos. En 2002, la UNESCO aprueba “La Carta de la Tierra” (Earth Charter Associates, 2019) la cual, hace un llamado de conciencia universal a todos los países sobre responsabilidad social para preservar los recursos del planeta, garantizar el bienestar de la humanidad en el futuro y presente.

Un buen ejemplo de lo que significa innovación tecnológica a favor del medio ambiente y del desarrollo social, es la empresa Libelium, fundada en el año 2006 a partir de un trabajo de fin de carrera por dos estudiantes de la Universidad de Zaragoza y que actualmente dicha empresa tiene presencia en al menos 120 países. Esta empresa, se dedica a desarrollar tecnología que permite medir parámetros físicos y químicos mediante diferentes tipos de sensores especializados, además permite conexiones de tipo 2G, 3G, Zigbee y WiFi enfocado a proyectos de internet de las cosas, M2M y las ciudades inteligentes.

Un caso de éxito fue la implementación de tecnología inalámbrica con sensores de ultrasonido conectado al mundo del IoT, para medir la capacidad actual de los contenedores de basura y optimizar el servicio de recolección de los desechos sólidos en toda la ciudad de Zaragoza. (Da Paz, 2015)

Gráfico No. 2 Waspmote Tecnología Inalámbrica para monitoreo

Elaboración: Libelium. Fuente: (Da Paz, 2015)

Este proyecto toma como base los puntos WIFI que incorpora el Municipio de la ciudad de Guayaquil y enfatiza la automatización de los procesos de recolección y generación de rutas, mediante un sistema de monitoreo basados en aplicativos móviles y web, los cuales están construidos con un microcomputador y sensores que miden el nivel de llenado de los contenedores hasta su capacidad máxima, los cuales se combinan con algoritmos matemáticos especializados en gestión logística de rutas, los cuales generan de manera visual las rutas optimas que se debe seguir desde la estación base, pasando por todos los puntos de recolección hasta retornar nuevamente a la base, en el menor tiempo posible y con el menor costo, esto permitirá ahorrar en recursos estratégicos como son tiempo, dinero y uso de personal e impactando positivamente en bienestar ciudadano, mediante una recolección eficiente, especialmente en aquellos puntos críticos donde más se acumula la basura de manera diaria.

FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA Hoy en día, las ciudades van evolucionando su forma de prestar servicios a la comunidad automatizando y creando nuevos esquemas de procesos inteligentes que buscan no sólo el bienestar común de los ciudadanos y la reducción de costos sino estar a la altura de las grandes ciudades tecnológicas gracias al impulso del internet de las cosas y la información que se genera día a día en la red, de esta manera los sistemas informáticos pueden medir constantemente muchas variables físicas mediante sensores electrónicos, las cuales serán procesadas por centros de cómputos que implementan algoritmos que buscan patrones o explotación de información para inferir comportamiento y acciones determinadas, gracias a esto se puede generar tendencias de marketing basado en la conducta humana, optimización de recursos y creación de máquinas autónomas. (Inarquia, 2017)

En este proyecto, se hará uso de la tecnología de software libre para implementar un sistema que mida el nivel de llenado en los contenedores de basura, así como la generación de rutas optimas que permitan disminuir tiempo y costos basados en la distancia de recorrido y las métricas entregadas por el sistema autónomo de cada contenedor creando una red de sensores interconectada a internet a lo largo

de la ciudad, creando zonas más limpias, seguras y conectadas en tiempo real a la nube.

La Basura La basura también llamada residuos sólidos proviene del latín “versura”, el cual deriva de “verrere” que significa verter. Una definición general sería la siguiente, publicada por la OCDE (Organización de Cooperación y Desarrollos Económico), toda materia generada durante un proceso de producción y consumo, que no aporta valor económico para lo que fue producido (Economipedia, 2019). Otra definición válida sería, cualquier materia generada mediante un proceso de transformación o consumo de la cual su calidad no es admisible para volverla a utilizar con el mismo fin con que fue realizado, ya sea orgánica o inorgánica.

Desde la antigüedad uno de los mayores problemas de las civilizaciones, ha sido recolectarla, procesarla, o reciclarla en lugares previstos para su disposición final. Actualmente, se generan toneladas de desechos sólidos diarios esto en gran medida al consumismo creado por una economía globalizada, que piensa solo en comprar y desechar, y, por otro lado, la falta de conciencia ecológica de la sociedad ante los problemas originados por la contaminación ambiental, como son el cambio climático, sequias, inundaciones, calentamiento global y la proliferación de enfermedades. En muchos casos estos tienen también su causa en una mala gestión de los procesos de recolección o la falta de infraestructura para abastecer el volumen diario que debe ser recolectado, acumulado y procesado. (Ecoportal, 2018)

La basura se puede clasificar en tres grupos de acuerdo con su contextura, los cuales son:

Basura orgánica: Todo resto de origen biológico, que fue parte de un organismo viviente y que fue procesado o consumido en su totalidad o parcialmente, o cuyo ciclo de vida ha concluido. Por ejemplo, ramas y hojas, sobras de alimentos, animales muertos, etc.

Gráfico No. 3 Residuos Orgánicos

Elaboración: Municipalidad de Corral de Bustos Ifflinger. Fuente: (Municipalidad de Corral de Bustos Ifflinger, 2019)

Basura inorgánica: Cualquier material procesado o no procesado de origen no biológico. Por ejemplo, vidrio, papel, plástico, equipos eléctricos o electrónicos, etc.

Gráfico No. 4 Residuos Inorgánicos

Elaboración: Municipalidad de Corral de Bustos Ifflinger. Fuente: (Municipalidad de Corral de Bustos Ifflinger, 2019)

Desechos peligrosos: Todo resto de origen biológico o no, que presenta un potencial peligro para la salud, el cual debe ser tratado de manera cuidadosa y especial. Por ejemplo, restos humanos o material médico infeccioso, desechos radioactivos, sustancias corrosivas, potenciales contaminantes ambientales, etc.

Gráfico No. 5 Desechos Peligrosos

Elaboración: Instituto Tecnológico de Ensenada. Boulevard Tecnológico. Fuente: (Instituto Tecnológico de Ensenada. Boulevard Tecnológico, 2018)

Gráfico No. 6 Códigos de colores para separación de residuos

Elaboración: Cesar Galarza. Fuente: (Galarza, 2019)

Para tratar la basura se debe considerar los tipos de residuos recolectados, los cuales deberán ser procesados de manera física, química, biológica, térmica, etc. de acuerdo con su potencial contaminante o nivel de peligrosidad.

Métodos para procesar basura Entre los métodos más comunes tenemos los siguientes:

Valorización: Es la valoración de los residuos según el análisis obtenido a partir de un estudio, el cual indica que posibilita la sustitución de otros materiales para cumplir una determinada función. Por ejemplo, la valorización energética que es obtenida en base a la incineración de los desechos la cual genera energía para ser utilizado como combustible. Por otro lado, se tiene la valorización de los materiales que promueve la generación de nuevos

compuestos en base a los desechos que forman parte de la cadena de reciclaje, como son: el vidrio, cartón y papel, en el caso de los alimentos generan elaboración de subproductos derivados a partir de cascaras, semillas, etc.

Gráfico No. 7 Valorización de los desechos sólidos

Elaboración: Joan Martínez. Fuente: (Martínez, 2015)

Vertederos: Es un proceso de tratamiento de la basura en el cual se vierte grandes volúmenes de basura sobre una depresión de un terreno, para luego ser compactado y recubierto de tierra de manera diaria. Existen dos tipos principales, los depósitos de basura en los cuales la basura se acumula de manera diaria y en muchos casos no es controlada adecuadamente, los vertederos de basura están construidos y diseñados adecuadamente para no causar impactos ambientales por lo general están alejados de las zonas pobladas, de este proceso se puede obtener gas metano a partir de la oxidación de la basura mediante procesos biológicos.

Gráfico No. 8 Vertederos controlados

Elaboración: Pedro Soto. Fuente: (Gobierno de Cantabria, 2015)

Incineración: Es un proceso de tratamiento de la basura en el cual se obtiene combustible gaseoso y otros subproductos reutilizables a partir de la combustión. Este método es uno de los más antiguos y utilizados en el mundo debido a sus ventajas de generación energética, pero así mismo es criticado por su alto riesgo contaminante cuando no es regulado correctamente por los gobiernos, además va en contra de la tendencia actual de economía circular, la cual genera más beneficios económicos reutilizando materiales y creando más plazas de trabajos.

Gráfico No. 9 Tratamiento por incineración

Elaboración: La Nación. Fuente: (Soto, 2013)

Reciclaje: Es una tendencia moderna en la que el objetivo principal es tener una conciencia social en la cual el contexto “cómprelo, utilícelo y tírelo” del consumismo se rechaza para pensar en el futuro y la vida, puesto que los recursos del Planeta Tierra son finitos. El proceso de reciclaje es sencillo, se cataloga la basura en contenedores según el material, se recolecta adecuadamente, se procesa de manera controlada y se obtiene nuevamente el mismo material u otros materiales derivados de estos.

Gráfico No. 10 Puntos limpios, proceso de reciclaje

Elaboración: Pedro Soto. Fuente: (Gobierno de Cantabria, 2015)

Sistemas de recolección de la basura Se define como gestión de desechos sólidos al control y tratamiento de la basura generada por las industrias, hospitales, comerciales y domiciliarias. Todo este proceso de gestión está clasificado de la siguiente manera:

Gráfico No. 11 Proceso de gestión de desechos sólidos

Recolección Transporte Procesamiento Tratamiento Reciclaje Transferencia Desposito final

Elaboración: CEAMSE Fuente: (CEAMSE, 2019)

El modelo de gestión de residuos SOGAMA, gestionado y administrado por el Ministerio de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente de España, se fundamenta sobre las tres R reducción, reutilización y reciclaje las cuales son parte integral de la recuperación energética de la fracción no reciclable. Las fracciones se focalizan en cinco grupos: bolsa negra para los desechos comunes que son generados por los ciudadanos y que deberán ser depositados en contenedores genéricos, las bolsas amarillas se utilizarán para envases plásticos y latas los cuales serán depositados en contenedores de color amarillo, el contenedor azul se utilizará para almacenar papel, cartón y envases de cartón; y finalmente el contenedor verde para almacenar vidrio en general. Para la recolección de pilas o baterías se deberá almacenar en un contenedor exclusivo debido a su composición con materiales como el cadmio, mercurio o plomo. En este contexto, la ciudadanía juega un papel importante para contribuir por el bien común, reciclando, consumiendo menos y reutilizando materiales.

Gráfico No. 12 Procesos del Modelo de Gestión integral de residuos sólidos

Elaboración: Gladys Haro Fuente: (Escuela Politécnica Nacional, 2015)

Procesos de recolección de desechos solidos Cada tipo de desecho se trata de formas diferentes, de acuerdo con el tipo de material y al nivel de peligrosidad que conllevan estos. El proceso de la recolección de la basura se puede dividir en dos grandes grupos:

Recolección selectiva: Los desechos son clasificados y agrupados de acuerdo al tipo de material, características y propiedades con la finalidad de procesarlos adecuadamente, este tipo de recolección se fundamenta en que los ciudadanos tengan una conciencia ecológica y de bienestar común, de manera que ellos sean los principales agentes de recolección y almacenado, colocándolo en contenedores de colores de acuerdo a su clasificación, para que los recolectores puedan fácilmente identificar cada tipo de desecho y posteriormente enviarlos a sus respectivo sitios de acopio. Dentro de este sistema se encuentra la recolección puerta a puerta cuya principal función es

que cada vivienda urbana separe sus desechos de forma ordenada, en donde el camión recolector pase de manera frecuente y en horarios establecidos para que sean retirados, compactados y llevados a los centros de disposición final.

Gráfico No. 13 Gestión de los residuos sólidos urbanos

Elaboración: Cesar J. Galarza. Fuente: (Galarza, 2019)

Recolección no selectiva: Los desechos son depositados todos en un mismo contenedor sin clasificación ni etiquetado, este tipo de recolección es de los más comunes en ciudades que no cuentan con una buena infraestructura de reciclaje o también sucede con poblaciones rurales.

Gráfico No. 14 Contenedor con desechos sólidos sin clasificar

Elaboración: Cesar J. Galarza. Fuente: (OVACEN, 2018)

Las empresas que prestan el servicio de recolección de basura deben diseñar planes estratégicos para optimizar la recolección de estos desechos sólidos

teniendo en cuenta muchos factores como son: la flota de vehículos, capacidad de recolección, personal de operación, costos de mantenimiento, costo de procesamiento, el terreno, los horarios y el tipo de material. Los ciudadanos están obligados a seguir normas municipales que les indican como deben separar la basura, sellarlas en bolsas plásticas, ubicarlas de manera ordenada y sacarla en los horarios establecidos para cada zona urbana con el fin de evitar multas y sanciones.

Los centros de reciclaje, también llamados puntos limpios, por otra parte, son otra forma de recolectar y almacenar de manera organizada la basura por tipo de material en diversos contenedores. Este sistema es muy utilizado en zonas comerciales donde se puede llegar a recolectar grandes volúmenes de material clasificado, para su posterior procesamiento, ayudando no solamente al medio ambiente, sino de manera económica en muchos de los casos a los usuarios, mediante promociones o incentivos. Existen también puntos de acopio donde los ciudadanos llevan grandes volúmenes de basura clasificada a cambio de un valor monetario, esto ayuda a la economía local creando plazas de trabajo si se realiza de manera ordenada y limpia. Existen países donde hay máquinas en zonas públicas para recolectar ciertos materiales, por un volumen específico, por ejemplo, tapillas plásticas, a cambio de tickets para pasajes en metro o autobuses. (Ecologia Hoy, 2018)

Rutas de recolección Los desechos sólidos deben ser transportados desde cada punto de almacenamiento hasta el punto de disposición final para su procesamiento, esto es conocido como servicio de recolección de desechos sólidos público, el cual debe mantener limpia la ciudad y libre de enfermedades infecciosas generadas por la contaminación de la basura. En cada ciudad existen ordenanzas municipales, para aplicar multas y sanciones, reglas y estándares de recolección controlada, y aprobación de horarios establecidos para sacar la basura y colocarlos en lugares adecuados. En la ciudad de Guayaquil, la empresa encargada de prestar este servicio es Consorcio Puerto Limpio bajo las normas y reglamentos mencionadas anteriormente, esta empresa utiliza varios modelos de

recolección de basura para operar de manera más eficiente, las cuales son: domiciliaria, industrial, institucional, mercados, operativos especiales, mingas comunitarias, áreas verdes y lavado de calles. (Consorcio Puerto Limpio, 2019)

Existen generalmente dos puntos claves para establecer las rutas de recolección, estas son:

Macro ruteo: Son las divisiones de las ciudades conocidas como sectores operativos, el tamaño de cada sector se determina comúnmente en kilómetros o manzanas.

Gráfico No. 15 Centros de acopio de basura en la ciudad de Guayaquil

Elaboración: Consorcio Puerto Limpio. Fuente: (Radio Huancavilca, 2019)

Actualmente el Consorcio Puerto limpio cuenta con 13 centros de acopio, distribuidos en la ciudad de Guayaquil, con atención los 365 días del año, sin costo alguno. (Consorcio Puerto Limpio, 2019)

Gráfico No. 16 Centro de acopio Bahía, centro de la ciudad de Guayaquil

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

La imagen del gráfico 16 se comprueba que existen centros de acopios ubicados en diferentes sectores de la ciudad de Guayaquil.

Gráfico No. 17 Contenedores del Centro de acopio Bahía

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

En la imagen del gráfico 17 se puede observar que los contenedores ubicados en los centros de acopio no disponen de ningún tipo de tecnología para la recolección de basura.

Micro ruteo: Es el recorrido que debe cumplir frecuentemente los camiones de recolección de basura en cada una de las áreas asignadas. Este proceso, básicamente divide los sectores en subsectores más pequeños, logrando que lo grupos de trabajo realicen sus actividades en un menor recorrido y tiempo. La ciudad de Guayaquil se ha divido en 24 subzonas que corresponden a 200 micro rutas de recolección, cada micro ruta corresponde a un camión recolector en una jornada de trabajo, con una capacidad de recolección de 4200 toneladas diarias. Adicional, existen aproximadamente 800 micro rutas. (Consorcio Puerto Limpio, 2019)

Gráfico No. 18 Mapa de micro rutas en Guayaquil, Zona Norte y Centro

Elaboración: Consorcio Puerto Limpio. Fuente: (Consorcio Puerto Limpio, 2019)

Las características más importantes que deben tener una micro ruta para ser considerada óptima son las siguientes: ● Lugar de concentración de camiones recolectores. ● Lugar de disposición final de la basura. ● Flujos de tráfico vial. ● Horas picos de tránsito y puntos de congestión. ● Topografía. ● Vías en buen estado y mal estado. ● Puntos de acumulación crítica de la basura.

El diseño de rutas de recolección de basura tiene principalmente dos formas de ejecución, los cuales se describen a continuación:

Recorrido en peine, la cual consiste en recorrer una sola vez la vía para los dos sentidos en la misma hora, es muy utilizada en sectores con escasa densidad poblacional.

Gráfico No. 19 Recorrido en peine

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

Recorrido en doble peine, la cual consiste en recorrer la vía por lo menos dos veces en el mismo sentido o por cada uno de ellos, es muy utilizado en sectores con alta densidad poblacional o comerciales.

Gráfico No. 20 Recorrido en doble peine

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

Frecuencia de recolección El factor de recolección es una métrica muy importante que está en función de la producción de basura diaria de los habitantes, la capacidad de recolección y las distancias de recorrido. La gestión de recolección de basura tiene un incremento importante en los costos al aumentar la frecuencia de recolección, esto significa que al tener cantidades menores de basura los camiones deberán recorrer rutas más largas para completar la capacidad implicando mayor tiempo, esfuerzo operativo y consumo de combustible. En otras palabras, la frecuencia optima de recolección está determinada por la cantidad de basura recolectada y el volumen generado por cada habitante en una ruta establecida.

Las alternativas de frecuencias más comunes son:

Diaria: Se realiza los 6 días de la semana excepto el domingo, lo que provoca una carga mayor de recolección los lunes. Es de costo elevado.

Inter diaria: Se realiza tres veces a la semana, así mismo el domingo no se realiza actividades de recolección, también es de costo elevado.

Dos veces por semana: Es muy utilizada en zonas urbanas por tener un mayor rendimiento de recolección de la basura, así mismo el domingo no se realiza actividades.

Una vez por semana: Es muy utilizada cuando se realiza actividades de recolección de material que puede descomponerse, el volumen es menor por lo que puede compactarse hasta alcanzar toda la capacidad del camión recolector, los costos de gestión son menores.

El servicio de recolección de desechos sólidos para la ciudad de Guayaquil es 24/7 los 365 días de año tanto para recolección como barrido. (Consorcio Puerto Limpio, 2019)

La frecuencia se clasifica de la siguiente manera:

Gráfico No. 21 Frecuencias y horarios de recolección en Guayaquil

Elaboración: Consorcio Puerto Limpio Fuente: (Consorcio Puerto Limpio, 2019)

Automatización de Procesos El rápido crecimiento tecnológico a través de los años ha permitido que la mayor parte de los procesos organizacionales e industriales puedan ser automatizados, es decir sin intervención humana. La automatización es la aplicación de varias técnicas de la ingeniera para construir sistemas complejos que agrupan otros sistemas, los cuales están basados en modelos matemáticos, electrónica, mecánica, estadística, informática, etc. permitiendo optimizar tiempos, recursos y costos de las empresas además de proveer una mayor competitividad empresarial y eficiencia en los productos o servicios que se brindan a los clientes. Los microprocesadores y computadoras cada vez son más potentes en cálculo de procesamiento y almacenamiento de información, lo cual posibilita una amplia variedad de implementación de proyectos tecnológicos que, si bien en un inicio el costo inicial puede resultar elevado, a mediano y largo plazo la inversión se amortizará considerablemente, por la reducción de costes operativos y de producción. (Castro, Medina, & Camargo, 2014)

Gráfico No. 22 Automatización de procesos - BPM

Elaboración: ProCibernética Fuente: (ProCibernética, 2017)

La automatización se puede clasificar fundamentalmente en tres tipos según la necesidad de cada industria:

Automatización fija: Este tipo de diseño es especial para industrias en donde se realizan manufactura a gran escala, se utilizan equipos especiales para producir partes o ensamblar componentes de manera coordinada y continúa en productos que tienen un ciclo de vida largo y diseños estáticos. Su principal desventaja es el alto costo de inversión inicial y su escasa flexibilidad ante cualquier cambio en el producto.

Gráfico No. 23 Automatización y robótica industrial

Elaboración: INFAIMON Fuente: (Infaimon, 2018)

Automatización programable: Este tipo de diseño está enfocado a un volumen de producción reducido y dividido por etapas, esto permite cambiar o actualizar cualquiera de las partes según la necesidad del mercado a través de un software. Se utilizan computadores programables y controladores lógicos. Uno de los componentes de automatización industrial más utilizados en el mercado son los Controladores Lógicos Programables PLC, los cuales son dispositivos diseñados para controlar procesos secuenciales que tienen relación con equipos o maquinaria que ejecuta una acción determinada, estos dispositivos tienen componentes internos que: recolectan métricas mediante

sensores, procesan la información, la almacenan en un repositorio de datos interno, tienen una lógica programable para tomar decisiones, realizan complejos cálculos matemáticos en tiempo real, disponen de interfaces de salidas y entradas para dispositivos externos y tienen capacidad de comunicación con varios protocolos, por ejemplo el Micro Logic PLC de Siemens.

Gráfico No. 24 Controladores inteligentes PLC

Elaboración: La enciclopedia de la ingeniería Fuente: (Ingeniería Mecafenix, 2018)

Automatización flexible: Este tipo de diseño se enfoca en los niveles de producción de mediana demanda, básicamente es la extensión de la automatización programable. SU principal ventaja es la reducción considerable de tiempos y costos de elaboración, además de permitir flexibilidad ante cualquier cambio en el producto o servicio.

Gráfico No. 25 Automatización flexible

Elaboración: John Santagate Fuente: (Manhattan Associates, 2018)

Sensores Un sensor es el dispositivo que tiene la capacidad de detectar pequeñas magnitudes físicas o químicas del entorno y transfórmalas en señales eléctricas que un controlador puede adquirir, adecuar, amplificar y procesar. Estas interfaces electrónicas permitirán que los sistemas analógicos o digitales puedan obtener información del entorno, los cuales están programados para ejecutar acciones o realizar cálculos basado en la digitalización de la data.

Gráfico No. 26 Magnitudes detectadas por sensores

Elaboración: Ramón Pallas Areny Fuente: (ARENY, 2017)

Los sensores pueden clasificarse de acuerdo su tipo de transductor, entre los más comunes se tienen los siguientes: (May Osorio, Díaz Luis, & Ramos Marún, 2018)

Sensor de aceleración: Es un sensor capaz de detectar la aceleración ejercida sobre un objeto en movimiento.

Sensor de velocidad: Es un sensor capaz de medir la velocidad lineal o angular de un objeto que se desplaza desde un punto a otro.

Captador de esfuerzo: Es un dispositivo electromecánico capaz de medir la fuerza aplicada de tracción o compresión sobre un objeto esto debido a que su resistencia eléctrica varía.

Sensor de ultrasonido: Es un sensor capaz de detectar ondas ultrasónicas y convertirla en una señal eléctrica, los dos principales tipos son: de barrera y de reflexión.

Captador de circuito oscilante: Es un sensor que genera una oscilación a una frecuencia determinada de manera que esta cuando es interrumpida por la presencia de un objeto dentro de su zona de detección, son muy utilizados como detectores de presencia.

Sensor de contacto: Son sensores que se activan o desactivan cuando un objeto entra en contacto con el de manera similar a un interruptor.

Captador fotoeléctrico: Son sensores capaces de medir señales luminosas dentro del espectro visible y no visible de la luz, existen de dos tipos: por barrera y por reflexión.

Sensor térmico: Es un sensor capaz de detectar la magnitud física del calor mediante dos uniones que generan una diferencia de potencial eléctrica y que tiene relación directa con el tipo de material.

Sensor de humedad: Es un sensor con capacidad de medir el nivel de líquido o la humedad relativa del aire dentro de una determinada área convirtiéndola a una señal eléctrica normalizada.

Sensor magnético: Es un sensor capaz de medir la fuerza o dirección de un vector magnético proveniente de un campo electromagnético externo convirtiendo la señal en eléctrica.

Sensor de infrarrojo: Es un sensor capaz de detectar la presencia de un objeto mediante la reflexión emitida por un haz de luz infrarroja. Este tipo de sensores son muy utilizados en distancias cortas.

Sensor de nivel: Son sensores especialmente diseñados para medir fuerza hidrostática dentro de un contenedor de líquidos. El cálculo va en función de la altura o profundidad.

Gráfico No. 27 Clasificación de los sensores

Elaboración: Olivia, Jesús, Emilio Fuente: (May Osorio, Díaz Luis, & Ramos Marún, 2018)

Sensor de ultrasonido Es un dispositivo electrónico capaz de medir una onda de sonido que viaja a una frecuencia que está por encima del rango audible humano que es entre 16Hz y 20Khz. Por lo general se utilizan frecuencia superior a los 40Khz, a la cual se le denomina ultrasonido, esta onda se emite desde el sensor a través del aire y cuando se encuentra con la superficie de un objeto se refleja hasta retornar al sensor, el tiempo en que tarda en regresar es utilizado para realizar el cálculo de la distancia a la cual se encuentra el objeto. (Reyes, 2016)

Gráfico No. 28 Fundamento físico del sensor de ultrasonido

Elaboración: ebotics Fuente: (ebotics, 2017)

La distancia es calculada de la siguiente manera:

1 퐷푖푠푡푎푛푐푖푎 푑 = × 푇 × 퐶 2

Donde T es el tiempo total en que demora la onda en ser emitida y regresar al sensor, y C es la velocidad del sonido la cual es 343.2 m/s. En el mercado existen

muchas variedades de sensores de ultrasonido desde los más sencillos hasta los más complejos, estos dependerán de la calidad del material con que se encuentre construido el transductor. El sensor HC-SR04 es capaz de medir distancias a través de las ondas de ultrasonidos que son reflejadas cuando se encuentran con un objeto entre un rango de 2 a 500 cm.

Gráfico No. 29 Sensor de ultrasonido HC-SR04

Elaboración: Romero Marras Fuente: (Romerobots Blog, 2018)

Microcomputadores Es un sistema electrónico complejo, que integra en una sola placa PCB un microprocesador de altas prestaciones, módulos de memoria RAM de alta velocidad, chip de almacenamiento de estado sólido, puertos integrados de entrada y salida, puertos USB, puerto micro USB, puerto Ethernet, puerto HDMI, chip procesador de video, chip de decodificación de audio y video. Por otro lado, son de tamaño reducido y bajo costo, son fáciles de programar y tienen muchas aplicaciones en el campo industrial, comercial y de investigación. Su principal sistema operativo es Linux, aunque también permite correr una versión ligera de Windows 10. (Rodríguez, 2018)

Gráfico No. 30 Microcomputador Raspberry Pi

Elaboración: Cristian Alejandro Muñoz. Fuente: (Xataka, 2018)

Los microcomputadores cuentan con todas las funcionalidades de un ordenador tradicional ofreciendo potencia de cómputo suficiente para implementar proyectos industriales, de telecomunicaciones, telecontrol, telemetría, sistemas distribuidos, centros de entretenimiento, sistemas de pentesting, servidores, etc. a un costo inferior a los $100 dólares. Entre los más populares se tienen los siguientes: ● Raspberry Pi ● BeagleBone Black ● pcDuino ● Pandaboard ● CuBox ● Gumstix Overo ● MK802 ● VIA APC ● Mele A1000 ● Intel NUC ● ODroid-C2 ● Orange Pi ● Jaguar One

Red de sensores Inalámbricos Son un conjunto de microcomputadores distribuido estratégicamente en una zona determinada para medir variables físicas o químicas a través de sensores de manera autónoma que procesarán y transmitirán la información mediante un

enlace inalámbrico a un centro de datos para almacenarla y representarla mediante una aplicación informática. Estos sistemas tienen una característica principal la cual es su fácil despliegue, autonomía, bajo consumo de energía, bajo costo y capaces de adaptarse a medios climáticos extremos. Los protocolos de comunicación más utilizados por las redes de sensores inalámbricos son: Zigbee, WiFi, Bluetooth, WiMax, GSM, etc. los cuales tienen funcionalidades específicas de uso como, por ejemplo: bajo consumo de energía, tasa de velocidad de datos, ancho de banda, alcance máximo, control de la red y compresión de datos. (Castro C, Luis Eduardo, & Carlos Andrés, 2015)

Un nodo sensor se encuentra compuesto por los siguientes componentes: ● Sensor. ● Fuente de alimentación. ● Procesador de datos. ● Módulo de comunicación.

Gráfico No. 31 Arquitectura de un nodo sensor

Elaboración: BarcelonaTech. Fuente: (Ramon Pallas Areny, 2014)

Entre las principales topologías se tienen las siguientes:

Topología en estrella: Esta topología se caracteriza por tener un nodo central en la cual los demás nodos se encuentran conectados.

Topología de malla: Esta topología se caracteriza por tener todos los nodos conectados entre sí, creando diferentes rutas alternativas. Esta topología es más compleja de administrar y más costosa.

Topología en árbol: Es una topología similar a la de una estrella, la principal diferencia es que esta no cuenta con un nodo central.

Topología mixta: Esta topología está compuesta por dos o varias topologías, es escalable y adaptable a las necesidades de cada cliente.

Gráfico No. 32 Topologías comunes de redes inalámbricas

Elaboración: BarcelonaTech. Fuente: (Ramon Pallas Areny, 2014)

Tendencias Tecnológicas Hoy en día, las tendencias tecnológicas permiten que el mundo empresarial, industrial, financiero, salud e investigación, etc. puedan utilizar herramientas y procesos automáticos cada vez más potentes y precisas para realizar análisis y obtener resultados en el menor tiempo posible (Nieto, 2018). Para el año 2019, el 70% de las empresas podrá obtener métricas asociadas al comportamiento de redes sociales gracias a las campañas de marketing y el crecimiento de los influencers de manera automática mediante CRM especializados, así mismo para el año 2020, muchos clientes habrán interactuado con bots y computadoras con inteligencia artificial sin haberse dado cuenta. Entre las cuales se destacan las siguientes:

Dispositivos autónomos: Son equipos electrónicos automatizados, cuyas funciones principales son ejecutar actividades que el hombre realiza de manera cotidiana, a través de modelos computacionales inteligentes y sensores que perciben el entorno.

Redes 5G: Permiten conectar dispositivos móviles a una velocidad 5 veces superior que la red 4G, permitiendo que las aplicaciones de entrega de contenido audiovisual en resoluciones de 4K o superiores, así como la incursión de contenido con realidad aumentada.

Analítica aumentada: Es una evolución del análisis de datos en sí, en la cual se prepara modelos matemáticos y estadísticos para que un sistema distribuido consuma una gran cantidad de datos y permita extraer información valiosa para toma de decisiones, realizar predicciones y automatizar sistemas de cómputo basados en la información que contienen los datos.

Inteligencia Artificial: Es una ciencia que trata de emular el razonamiento humano dentro de las maquinas mediante modelos matemáticos, estadísticos, grandes volúmenes de datos, medios sensoriales y aprendizaje automático. Permitiendo que los sistemas se vuelvan autónomos para realizar actividades y que estos puedan predecir comportamientos, tomar decisiones y evaluar datos con mayor precisión que un sistema computacional tradicional.

Aplicaciones Basadas en Blockchain: Es una tecnología que utiliza cadenas de bloques, para validar que una transacción realizada desde cualquier medio sea segura e incorruptible, brindando mayor confianza y fiabilidad. Los casos más famosos son las implementaciones de monedas virtuales como bitcoin y Ethereum, así mismo tiene aplicaciones desde la parte financiera hasta poder gestionar contratos legales.

Ciudades Inteligentes: Es la combinación de varias tecnologías las cuales permiten que una ciudad pueda ser parcial o totalmente automatizada mediante cientos o miles de sensores que leen constantemente muchas variables físicas y químicas para predecir el comportamiento ciudadano, y así permitir una gestión optima de muchos recursos públicos, disminuir la contaminación ambiental, reducción de delitos, etc. Esto se logra a través de grandes centros de datos y plataformas de computación distribuidas que tienen implementados algoritmos inteligentes.

Gráfico No. 33 Evolución de las tendencias tecnológicas

Elaboración: Gartner Inc. & International Data Corporation. Fuente: (Gartner Inc. & International Data Corporation, 2018)

Internet de las Cosas El internet de las cosas es la evolución de las redes de sensores hacia el internet, hace 40 años las empresas tecnológicas creaban hogares inteligentes mediante la domótica, la cual consistía en implementar dispositivos electrónicos con sensores y conectados a internet capaces de realizar actividades o tomar métricas del ambiente. Básicamente sería asignándole a cada controlador una dirección IP para que pueda ser controlado de manera remota o envié datos a un servidor de almacenamiento externo.

El internet de las cosas se define como el conjunto de objetos electrónicos conectados entre sí a través del internet y que interactúan de manera autónoma o mediante una orden externa, por ejemplo: voz, gestos, sonidos, etc. compartiendo información para facilitar tareas cotidianas. Kevin Ashton creo el termino en 1999 en el Massachusetts Institute of Technology (MIT) en su publicación “Las cosas de Internet de las Cosas”, estos dispositivos se comunicarían a través de diferentes protocolos de comunicación y realizarían actividades que el hombre no necesitaría realizar, ejecutaría acciones automáticas y servirían como motor de

búsqueda para realizar compras en línea mediante el uso de comandos de voz. (Peña, 2019)

Gráfico No. 34 Internet de las Cosas

Elaboración: Xakata. Fuente: (Pablo Espeso, 2015)

Los principales componentes que conforman el Internet de las Cosas son:

Los nodos: Son pequeños microcomputadores integrados a cualquier electrodoméstico o equipo electrónico como, por ejemplo: refrigeradores, automóviles, cocinas, televisión, radio, relojes, etc. los cuales obtienen información especial del equipo y a la vez permite ejecutar una variedad de comandos de manera automática o por una orden.

Internet: Es la red de redes, en la cual se encuentran ubicados los servidores que almacenan la información y los aplicativos encargados de procesarla, los nodos se pueden comunicar a través de cualquier protocolo de comunicación que tenga acceso a internet, muchos de los sistemas IoT utilizan computación en la nube.

Sistema de procesamiento: Los datos son procesados mediante algoritmos que estarán implementados en la nube. Así mismo utilizan otros servicios especializados con inteligencia artificial para tomar decisiones o predecir comportamientos.

Los expertos afirman que para el año 2025, existirían más de 21 billones de dispositivos IoT, y que estos crecerán de manera exponencial año a año, brindando nuevas experiencias de automatización y análisis de datos. Los ejemplos más famosos de IoT pueden ser los equipos electrónicos de Amazon, Google y Apple, los cuales se encuentran conectados a sistemas computacionales especializados y con inteligencia artificial como son: Alexa, Google Assistant y Siri respectivamente, lo cuales pueden leer datos del entorno que los rodea hasta ejecutar acciones mediante gesticulación de movimientos o por comandos de voz. Realizan tareas tan simples como encender y apagar lámparas, controlar cerraduras, cámaras de video vigilancia hasta tan complejas como realizar compras online, conducir vehículos autónomos y reconocer rostros o patrones de comportamiento. (Maria Alejandra Valois, 2018)

Gráfico No. 35 Sistemas Inteligentes para IoT

Elaboración: ThyBlackMan.com. Fuente: (Corey Shaw, 2018)

Computación en la nube La computación en la nube es una de las tendencias tecnológicas actuales, en la cual proporciona recursos de computo tales como: poder de procesamiento, capacidad de almacenamiento, memoria de computo, esquemas de seguridad,

etc. por medio de grandes centros de datos que se encuentran distribuidos estratégicamente alrededor del mundo, con las ventajas de poder implementar desde simples hasta complejas infraestructuras de manera rápida, versátil, segura y flexible ante cambios.

Gráfico No. 36 Aprovisionamiento de recursos en la nube

Elaboración: TecnologíaParaDesarrollo.com. Fuente: (Juan María Fiz, 2019)

La gran cantidad de información almacenada en los distintos repositorios, brindan una fuente de conocimiento y valor estratégico que ayuda a sustentar y toma de decisiones estratégicas, permitiendo que las empresas puedan ser mucho más competitivas además de aprovechar las oportunidades del mercado global. (Sáenz, 2017)

Gráfico No. 37 Inversión en TIC por el tamaño de la empresa

Elaboración: Ministerio de Telecomunicaciones y Sociedad de la Información Fuente: (TICS – PRO ECUADOR, 2015)

Estos grandes centros de datos utilizan una consola web para poder diseñar e implementar las infraestructuras requeridas de manera sencilla e intuitiva. La computación en la nube por lo general utiliza diferentes componentes que se comunican entre sí a través de flujos automáticos o programados, así mismo disponen de muchos mecanismos útiles como son colas de mensajería, métodos asincrónicos, consumidores y publicadores de servicios entre otros. Siendo una de las mayores ventajas la redundancia puesto que muchos de estos servidores están ubicados en diferentes regiones del mundo creando mayor confiabilidad en los servicios.

Gráfico No. 38 Colas elásticas de mensajes para comunicación

Elaboración: Amazon Web Services Fuente: (AWS Cloud Architectures, 2017)

La replicación de servicios es otra de las características importante que tiene la computación en la nube, mediante la cual se puede desplegar de manera automática una flota de instancias de manera elástica, para realizar balanceo de carga en periodo de actividad con grandes cargas transaccionales. De tal manera que, si falla una, el resto de las instancias seguirán activas sin interrumpir el servicio. El servicio Auto Scaling que permite incrementar o decrementar la cantidad de instancias de cómputo a utilizar de manera automáticamente siguiendo ciertos criterios o reglas.

Para evitar que una aplicación tenga fallos o interrupciones en el servicio, muchas de las nubes cuentan con centros de datos distribuidos en regiones alrededor del mundo. Amazon CloudFront es un servicio que permite replicar datos estáticos o dinámicos automáticamente en diferentes ubicaciones del mundo. Esta funcionalidad permite otorgar mayor confiabilidad y tolerancia a fallos. Otro mecanismo de replicación de datos son los servicios Amazon S3 y Amazon SimpleDB que administran de manera automática la replicación de los datos como mecanismo de tolerancia a fallos. Así mismo, los servicios como Amazon RDS para bases de datos relacionales las cuales ofrecen alta disponibilidad y replicación de datos entre varias regiones. (AWS Cloud Architectures, 2017)

Un caso de éxito de una aplicación en la nube es la empresa Netflix que brinda su servicio de distribución del contenido vía streaming digital a través de internet, la

cual tiene implementada diversos mecanismos de tolerancia a fallos, como por ejemplo la herramienta Chaos Monkey de Amazon Web Services, la cual deshabilita las instancias en producción de forma aleatoria para probar los sistemas con la idea de introducir fallos programados y así analizar el comportamiento de la plataforma. (Netflix, 2016)

Gráfico No. 39 Arquitectura de Streaming para video implementada en AWS

Elaboración: TecnologíaParaDesarrollo.com. Fuente: (Rubén García Becerro, 2016)

La computación en la nube puede clasificarse según su modelo de negocio en: ● Pública ● Privada ● Híbrida

La computación en la nube se puede clasificar de acuerdo con los tipos de servicios que ofrece, tal como se muestra a continuación:

Gráfico No. 40 Clasificación de los tipos de servicios en la nube

Elaboración: Redcentricplc Fuente: (What is infrastructure as a service, 2018)

Infraestructura como Servicio (IaaS): Permite que los administradores tengan el control y acceso total a los servidores virtuales y el sistema operativo.

Plataforma como Servicio (PaaS): Es un servicio que expone plataformas en la nube, para que el administrador pueda desarrollar sus servicios mediante un entorno amigable e intuitivo.

Software como Servicio (SaaS): Son servicios instalados y pre configurados para ser utilizados directamente por los usuarios, a través de aplicaciones móviles o web. Por ejemplo, las herramientas de colaboración en línea.

Microservicios La arquitectura de microservicios está pensada para construir pequeñas aplicaciones como servicios que son altamente escalables en el tiempo, donde cada una de ellas es independiente de las otras y se encuentran conectadas mediante interfaces de conexión expuestas por el contenedor en donde reside. Esto es útil debido a que muchas de las soluciones empresariales necesitan automatizar procesos, actualizar funcionalidades y crear nuevos servicios, los cuales pueden estar implementados en diferentes lenguajes de programación. (Esaú A., 2016)

Una arquitectura de microservicios separa cada módulo de la aplicación como un sólo servicio, el cual es controlado por la capa de gestión de servicios que centraliza las conexiones en el bus de servicios empresariales ESB simplificando las comunicaciones y permitiendo integrar diversos aplicativos desarrollados en cualquier lenguaje de programación y fuentes de datos. Adicional, la integración es más ágil con plataformas de computación en la nube.

Gráfico No. 41 Arquitectura de Microservicios

Elaboración: Openwebminar.com Fuente: (Esaú A., 2016)

Casos de éxitos implementados con Microservicios Actualmente, existen muchos casos de éxitos a nivel mundial entre los cuales se destacan los siguientes, cuya alta densidad de usuarios requiere de una arquitectura robusta y escalable:

Netflix: Esta plataforma tiene una arquitectura diseñada en microservicios desde el año 2006. Diariamente recibe en promedio mil millones de transacciones a sus diferentes servicios y es capaz de adaptarse a más de 800 tipos de dispositivos mediante su API de streaming de vídeo.

Amazon: Amazon migró a la arquitectura de microservicios hace tres años siendo una de las primeras grandes compañías que la implementaban en producción.

EBay: Es una de las empresas con mayor visión de futuro, siendo pionera en la adopción de tecnologías de contenerización como Docker en arquitecturas de microservicios.

La arquitectura de microservicios tiene las siguientes ventajas que se detallan a continuación: ● Se despliegan fácilmente. ● Requieren menos tiempo de desarrollo. ● Puede escalar rápidamente. ● Se puede reutilizar en diferentes proyectos. ● Contienen mejor aislamiento de fallas. ● Puede ser desplegado en equipos relativamente pequeños. ● Trabaja bien con los contenedores.

Sin embargo, también existen ciertas desventajas, tales como: ● Esfuerzo extra de diseño para la comunicación entre servicios. ● Latencia durante el uso pesado. ● Pruebas complejas.

Modelos matemáticos para optimización de rutas Existen muchos problemas de optimización de rutas, las cuales consisten en obtener un conjunto de datos o variables del problema que satisfagan condiciones específicas y a la vez cumplan con determinados objetivos. Debido a la importancia de los problemas de optimización de rutas, se han desarrollado diferentes algoritmos con el objetivo de obtener soluciones específicas. Estos algoritmos se clasifican en algoritmos exactos y algoritmos heurísticos. (Bryan Salazar López, 2016)

Algoritmos exactos: Es un algoritmo que garantiza obtener una solución óptima a un problema de optimización de rutas en un tiempo computacional dependiente del problema. Estos algoritmos podrían consumir demasiado tiempo, lo cual puede resultar poco práctico.

Algoritmos heurísticos: Es un algoritmo que obtiene soluciones cercanas a la solución óptima, pero a bajo costo computacional. Una clasificación básica es dividirlos en algoritmos constructivos y algoritmos de búsqueda local. Los algoritmos constructivos generan soluciones a un problema añadiendo elementos de forma repetida a una solución parcial, hasta que la misma sea

completada. Por otro lado, los algoritmos de búsqueda local examinan la vecindad de una solución inicial con el objetivo de conseguir el óptimo local.

Problema del agente viajero – TSP El problema del agente viajero o TSP por sus siglas en inglés (Travelling Salesman Problem), surge en 1930 como uno de los problemas más famosos y complejos por resolver en las ciencias computacionales, cuyo principal objetivo es encontrar un recorrido completo que conecte todos los nodos de una red, visitándolos tan solo una vez y volviendo al punto de partida, y que además minimice la distancia total de la ruta, o el tiempo total del recorrido. Este tipo de problema tiene grandes aplicaciones en el ámbito de la logística y distribución, así como en la programación de rutas. (A. F. Penna, 2014)

El problema del agente viajero tiene una característica importante, y esta depende de que las distancias entre un nodo y otro sean simétricas o no, es decir, que la distancia entre A y B sea igual a la distancia entre B y A, puesto que en la práctica es muy poco probable que así sea.

La cantidad de rutas posibles en una red está determinada por la ecuación:

(푛 − 1)!

En una red con 5 nodos la cantidad de rutas probables es igual a (5 − 1)!, y a medida que la cantidad de nodos aumente la cantidad de rutas crece factorialmente. En el caso de que el problema sea simétrico la cantidad de rutas posibles se reduce a la mitad permitiendo reducir significativamente el tiempo de procesamiento en rutas de gran tamaño, es decir:

(푛 − 1)!

La complejidad para procesar el problema del agente viajero ha sido objeto de estudio para mejorar la eficiencia en el cálculo de rutas. El método más básico es el conocido con el nombre de fuerza bruta, que consiste en el cálculo de todos los

posibles recorridos, lo cual se hace extremadamente ineficiente en redes de gran tamaño.

También existen métodos heurísticos que se han desarrollado para resolver la complejidad en el cálculo de soluciones óptimas en redes robustas, es por ello por lo que existen métodos como el vecino más cercano, la inserción más barata y el doble sentido.

Simétrico: La distancia entre un par de puntos es la misma que en el sentido contrario. En este caso la matriz de coste sería simétrica.

Asimétrico: La distancia de ida puede ser diferente que la distancia de vuelta e incluso no existir una de ellas. En este caso la matriz de costes no es simétrica.

Método de fuerza bruta El método de la fuerza bruta no requiere la aplicación de un algoritmo metódico, básicamente consiste en explorar todos los recorridos posibles. Considerando que la red sea simétrica teniendo en cuenta que las posibles rutas se reducen a la mitad.

Gráfico No. 42 Grafo Método de fuerza bruta

Elaboración: Departamento de Estadística e Investigación Operativa Fuente: (Universidad de Cádiz, 2015)

Por ejemplo, se tienen los datos del gráfico 41, en el cual se requiere encontrar la ruta optima utilizando el método de fuerza bruta.

Posibles rutas:

퐴 − 퐵 − 퐷 − 퐶 − 퐴 = 9 + 15 + 4 + 7 = 35 퐾푚 퐴 − 퐵 − 퐶 − 퐷 − 퐴 = 9 + 10 + 4 + 8 = 31 퐾푚 퐴 − 퐶 − 퐵 − 퐷 − 퐴 = 7 + 10 + 15 + 8 = 40 퐾푚

Rutas simétricas:

퐴 − 퐷 − 퐶 − 퐵 − 퐴 = 8 + 4 + 10 + 9 = 31 퐾푚 퐴 − 퐶 − 퐷 − 퐵 − 퐴 = 7 + 4 + 15 + 9 = 35 퐾푚 퐴 − 퐷 − 퐵 − 퐶 − 퐴 = 8 + 15 + 10 + 7 = 40 퐾푚

Siendo la mejor ruta A-B-C-D-A o A-D-C-B-A, con una métrica de 31 Km.

Método del vecino más cercano El método del vecino más cercano es un algoritmo heurístico diseñado para solucionar el problema del agente viajero, no asegura una solución óptima, sin embargo, suele proporcionar una solución bastante confiable en un tiempo de cálculo muy eficiente. El método de desarrollo es muy similar al utilizado para resolver problemas de árbol de expansión mínima.

Gráfico No. 43 Grafo Método del vecino más cercano

Elaboración: Departamento de Estadística e Investigación Operativa Fuente: (Universidad de Cádiz, 2015)

El método consiste en una vez establecido el nodo de partida, evaluar y seleccionar su vecino más cercano. En este caso:

Vecinos de A B C D distancia 9 7 8

En la siguiente iteración se considera los vecinos más cercanos al nodo C (se excluye A por ser el nodo de origen):

Vecinos de C B D distancia 10 4

En la siguiente iteración el vecino más cercano de D será C, con quien ya se cuenta con una conexión, por lo que se descarta. Después, al estar B conectado con todos los nodos se encuentra el recorrido completado, uniendo el nodo B con el nodo A, por lo tanto, la ruta solución por medio del vecino más cercano es: A, C, D, B, A = 7, 4, 15, 9 = 35 km. A pesar de tener una red integrada por unos pocos nodos, se puede observar que el método del vecino más cercano no proporciona la solución óptima, la cual se calcula con el método de fuerza bruta con una métrica de 31 km.

Método de heurística de inserción Las heurísticas de inserción es un método que permite crear una solución mediante sucesivas inserciones de clientes en las rutas. En cada iteración se tiene una solución parcial cuyas rutas solo visitan un subconjunto de los clientes y se selecciona un cliente no visitado para insertar en dicha solución.

La principal desventaja de este modelo es que los últimos clientes no visitados tienden a estar dispersos y por lo tanto las últimas rutas construidas son de costo muy elevado.

Gráfico No. 44 Grafo Método de heurística de inserción

Elaboración: Departamento de Estadística e Investigación Operativa Fuente: (Universidad de Cádiz, 2015)

Un algoritmo heurístico debe tener las siguientes propiedades:

Eficiente: El esfuerzo computacional es realista y permite obtener la solución.

Bueno: La solución debe estar, cerca del óptimo.

Robusto: La probabilidad de obtener una mala solución; es decir, que se encuentre lejos de la óptima; debe ser baja.

FUNDAMENTACIÓN LEGAL Los estatus legales en Ecuador, que están relacionados directa o indirectamente con el proyecto y que deben ser considerados, se detallan a continuación:

LEY ORGÁNICA DE TELECOMUNICACIONES

REDES Y PRESTACIÓN DE SERVICIOS DE TELECOMUNICACIONES TÍTULO II REDES Y PRESTACIÓN DE SERVICIOS DE TELECOMUNICACIONES CAPÍTULO I Establecimiento y explotación de redes Según el artículo 9 de la Ley Orgánica de Telecomunicaciones Redes y Prestación de Servicios de Telecomunicaciones “Se entiende por redes de telecomunicaciones a los sistemas y demás recursos que permiten la transmisión, emisión y recepción de voz, vídeo, datos o cualquier tipo de señales, mediante medios físicos o inalámbricos, con independencia del contenido o información cursada”. (LOT, 2015)

“El establecimiento o despliegue de una red comprende la construcción, instalación e integración de los elementos activos y pasivos y todas las actividades hasta que la misma se vuelva operativa”. (LOT, 2015)

“En el despliegue de redes e infraestructura de telecomunicaciones, incluyendo audio y vídeo por suscripción y similares, los prestadores de servicios de telecomunicaciones darán estricto cumplimiento a las normas técnicas y políticas nacionales, que se emitan para el efecto”. (LOT, 2015)

“En el caso de redes físicas el despliegue y tendido se hará a través de ductos subterráneos y cámaras de acuerdo con la política de ordenamiento y soterramiento de redes que emita el Ministerio rector de las Telecomunicaciones y de la Sociedad de la Información”. (LOT, 2015)

“El gobierno central o los gobiernos autónomos descentralizados podrán ejecutar las obras necesarias para que las redes e infraestructura de telecomunicaciones

sean desplegadas de forma ordenada y soterrada, para lo cual el Ministerio rector de las Telecomunicaciones y de la Sociedad de la Información establecerá la política y normativa técnica nacional para la fijación de tasas o contraprestaciones a ser pagadas por los prestadores de servicios por el uso de dicha infraestructura.

Para el caso de redes inalámbricas se deberán cumplir las políticas y normas de precaución o prevención, así como las de mimetización y reducción de contaminación visual”. (LOT, 2015)

“Los gobiernos autónomos descentralizados, en su normativa local observarán y darán cumplimiento a las normas técnicas que emita la Agencia de Regulación y Control de las Telecomunicaciones, así como a las políticas que emita el Ministerio rector de las Telecomunicaciones y de la Sociedad de la Información, favoreciendo el despliegue de las redes. De acuerdo con su utilización las redes de telecomunicaciones se clasifican en: a) Redes Públicas de Telecomunicaciones b) Redes Privadas de Telecomunicaciones”. (LOT, 2015)

El Artículo 10 de la Ley Orgánica de Telecomunicaciones Redes y Prestación de Servicios de Telecomunicaciones hace referencia a “Redes públicas de telecomunicaciones. Toda red de la que dependa la prestación de un servicio público de telecomunicaciones; o sea utilizada para soportar servicios a terceros será considerada una red pública y será accesible a los prestadores de servicios de telecomunicaciones que la requieran, en los términos y condiciones que se establecen en esta Ley, su reglamento general de aplicación y normativa que emita la Agencia de Regulación y Control de las Telecomunicaciones”. (LOT, 2015)

Las redes públicas de telecomunicaciones tenderán a un diseño de red abierta, esto es sin protocolos ni especificaciones de tipo propietario, de tal forma que se permita la interconexión, acceso y conexión y cumplan con los planes técnicos fundamentales. Las redes públicas podrán soportar la prestación de varios servicios, siempre que cuenten con el título habilitante respectivo. (LOT, 2015)

Conforme al Artículo 13 de la Ley Orgánica de Telecomunicaciones Redes y Prestación de Servicios de Telecomunicaciones “Redes privadas de telecomunicaciones. Las redes privadas son aquellas utilizadas por personas naturales o jurídicas en su exclusivo beneficio, con el propósito de conectar distintas instalaciones de su propiedad o bajo su control. Su operación requiere de un registro realizado ante la Agencia de Regulación y Control de las Telecomunicaciones y en caso de requerir de uso de frecuencias del espectro radioeléctrico, del título habilitante respectivo. Las redes privadas están destinadas a satisfacer las necesidades propias de su titular, lo que excluye la prestación de estos servicios a terceros. La conexión de redes privadas se sujetará a la normativa que se emita para tal fin. La Agencia de Regulación y Control de las Telecomunicaciones regulará el establecimiento y uso de redes privadas de telecomunicaciones”. (LOT, 2015)

UTILIZACIÓN DE SOFTWARE LIBRE EN LA ADMINISTRACIÓN PÚBLICA De acuerdo con el DECRETO 1014 (Decreto Ejecutivo 1014, 2014) referente al uso del software libre en Ecuador el Artículo 2 indica lo siguiente:

“Se entiende por Software Libre, a los programas de computación que se pueden utilizar y distribuir sin restricción alguna, que permitan el acceso a los códigos fuentes y que sus aplicaciones puedan ser mejoradas”. (Decreto Ejecutivo 1014, 2014)

Estos programas de computación tienen las siguientes libertades: a) Utilización de programa con cualquier propósito de uso común. b) Distribución de copias sin restricción alguna. c) Estudio y modificación de programa (Requisito: código fuente disponible). d) Publicación del programa mejorado (Requisito: código fuente disponible).

CONSTITUCIÓN DE LA REPÚBLICA DEL ECUADOR TÍTULO II DERECHOS Capítulo sexto Derechos de libertad Se tienen disposiciones que pueden ser interpretadas para un entorno de computación en la nube, específicamente la contenida en el Artículo 66 de la Constitución de la República del Ecuador que dice “Se reconoce y garantizará a las personas:

El Artículo 19. “El derecho a la protección de datos de carácter personal, que incluye el acceso y la decisión sobre información y datos de este carácter, así como su correspondiente protección. La recolección, archivo, procesamiento, distribución o difusión de estos datos o información requerirán la autorización del titular o el mandato de la ley”. (Constitución de la República del Ecuador, 2018)

TÍTULO III GARANTÍAS CONSTITUCIONALES Capítulo tercero Sección quinta Acción de hábeas data El Artículo 92 de la Constitución de la República del Ecuador indica “Toda persona, por sus propios derechos o como representante legitimado para el efecto, tendrá derecho a conocer de la existencia y a acceder a los documentos, datos genéticos, bancos o archivos de datos personales e informes que sobre sí misma, o sobre sus bienes, consten en entidades públicas o privadas, en soporte material o electrónico. Asimismo, tendrá derecho a conocer el uso que se haga de ellos, su finalidad, el origen y destino de información personal y el tiempo de vigencia del archivo o banco de datos. Las personas responsables de los bancos o archivos de datos personales podrán difundir la información archivada con autorización de su titular o de la ley”. (Constitución de la República del Ecuador, 2018)

“La persona titular de los datos podrá solicitar al responsable el acceso sin costo al archivo, así como la actualización de los datos, su rectificación, eliminación o anulación. En el caso de datos sensibles, cuyo archivo deberá estar autorizado por la ley o por la persona titular, se exigirá la adopción de las medidas de seguridad necesarias. Si no se atendiera su solicitud, ésta podrá acudir a la jueza o juez. La persona afectada podrá demandar por los perjuicios ocasionados”. (Constitución de la República del Ecuador, 2018)

El Artículo 264 de la Constitución de la República del Ecuador, dispone que “Los Gobiernos Municipales tendrán las siguientes competencias exclusivas sin perjuicio de otras que determina la ley: 4. Prestar los servicios públicos de agua potable, alcantarillado, depuración de aguas residuales, manejo de desechos sólidos, actividades de saneamiento ambiental y aquellos que establezca la ley”. (Constitución de la República del Ecuador, 2018)

La ley aplicable es el:

Código Orgánico del Ambiente, se creó con el fin de obtener una buena calidad ambiental, gestión de residuos, incentivos ambientales, etc. Aquí se regula el derecho que nosotros lo ciudadanos tenemos a vivir en un ambiente sano y de manera equilibrada, es por ello que el manejo de la basura debe ser ordenada y responsable para evitar la contaminación ambiental. (Código Ogánico del Ambiente, 2018)

REGLAMENTOS Y ACUERDOS MINISTERIALES En el Acuerdo Ministerial No. 061, Reforma del Libro VI del Texto Unificado de Legislación Secundaria (TULSMA), conforme al artículo 47 sobre las Políticas Nacionales de Residuos Sólidos señala que el Estado Ecuatoriano declara prioridad nacional de gestión integral de los residuos sólidos en el país, como una responsabilidad compartida por toda la sociedad, que contribuya al desarrollo sustentable a través de un conjunto de políticas intersectoriales nacionales. (Ministerio del Ambiente, 2015)

En su Artículo 55 describe la gestión integral de los residuos sólidos no peligrosos, como el conjunto de acciones y regulaciones con el objetivo de dar a los residuos sólidos no peligrosos el destino más apropiado desde el punto de vista técnico, económico y medioambiental. En este artículo también se menciona las posibilidades de recuperación y aprovechamiento, así como de su comercialización. Además, entre otras acciones plantea la separación en la fuente, que sería realmente provechosa para los recicladores de base, para que los residuos recuperables no sean contaminados por otros tipos de desechos y aumenten su valor de comercialización. (Ministerio del Ambiente, 2015)

Artículo 57, se establecen las Responsabilidades de los Gobiernos Autónomos Descentralizados Municipales, dentro de las cuales en el literal b) establece la implementación de programas educativos para fomentar la cultura de la minimización de generación de residuos, separación en la fuente, reciclaje entre otros mencionados. Igualmente, en el artículo 57 literal d) establece el promover la instalación y operación de centros de recuperación de residuos sólidos aprovechables, con la finalidad de fomentar el reciclaje. (Ministerio del Ambiente, 2015)

M.I. MUNICIPALIDAD DE GUAYAQUIL EL M.I. CONSEJO MUNICIPAL DE GUAYAQUIL CONSIDERANDO “QUE, la constitución de la República del Ecuador, en su artículo 66 numeral 27, reconoce y garantiza el derecho a vivir en un ambiente sano, ecológicamente equilibrado y libre de contaminación”. (M.I. Municipalidad de Guayaquil, 2018)

“QUE, el artículo 52 de la Constitución de la República consagra que las personas tienen derecho a disponer de bienes y servicios de óptima calidad”. (M.I. Municipalidad de Guayaquil, 2018)

“QUE, la Constitución de le República del Ecuador consagra que las personas tienen derecho a disponer de bienes y servicios de óptima calidad”. (M.I. Municipalidad de Guayaquil, 2018)

“QUE, en virtud de lo establecido en el artículo 54 letras a) y k), del Código Orgánico de Organización Territorial, Autonomía y Descentralización, son funciones de los gobiernos autónomos descentralizados municipales el promover el desarrollo sustentable de la circunscripción territorial cantonal para garantizar la realización del buen vivir; así como también regular, prevenir y controlar la contaminación ambiental Así también según lo prescrito en el artículo 55 letra d) de dicho Código, los indicados gobiernos tienen entre otras competencias exclusivas la de prestar el servicio de manejo de desechos sólidos". (M.I. Municipalidad de Guayaquil, 2018)

“QUE, el libro VI del Texto Unificado de Legislación Ambiental Secundaria, en su Anexo 6 (Norma de Calidad Ambiental para el Manejo y Disposición Final de Desechos Sólidos no peligrosos), establece los criterios para el manejo de los desechos sólidos no peligrosos, desde su generación hasta su disposición final”. (M.I. Municipalidad de Guayaquil, 2018)

“QUE, el artículo 137 del Código orgánico de Organización Territorial, Autonomía y Descentralización COOTAD señala que las competencias de prestación de servicios públicos de alcantarillado, depuración de aguas residuales, manejo de desechos sólidos, y actividades de saneamiento ambiental, en todas sus fases, las ejecutarán los gobiernos autónomos descentralizados municipales con sus respectivas normativas”. (M.I. Municipalidad de Guayaquil, 2018)

“QUE, según establece el Código Orgánico de Organización Territorial, Autonomía y Descentralización en su artículo 508, los Gobiernos Autónomos Descentralizados Municipales y Distritales tienen la facultad de determinar tasas por la prestación de servicios públicos, entre los que se encuentran la Recolección de Basura y Aseo Público”. (M.I. Municipalidad de Guayaquil, 2018)

LEY ORGÁNICA DE TRANSPARENCIA Y ACCESO A LA INFORMACIÓN PÚBLICA La ley orgánica de transparencia y acceso a la información pública (LOTAIP, 2018) indica “El Artículo 7.- Difusión de la Información Pública.-. Por la transparencia en la gestión administrativa que están obligadas a observar todas las instituciones del Estado que conforman el sector público en los términos del artículo 118 de la Constitución Política de la República y demás entes señalados en el artículo 1 de la presente Ley, difundirán a través de un portal de información o página web, así como de los medios necesarios a disposición del público, implementados en la misma institución, la siguiente información mínima actualizada, que para efectos de esta Ley se la considera de naturaleza obligatoria:

a) Estructura orgánica funcional, base legal que la rige, regulaciones y procedimientos internos aplicables a la entidad; las metas y objetivos de las unidades administrativas de conformidad con sus programas operativos”.

ORGÁNICO FUNCIONAL BASE LEGAL “Puerto Limpio es una compañía de responsabilidad limitada establecida en el Ecuador e inscrita en el Registro Mercantil del cantón Guayaquil. El objeto de Puerto Limpio es el servicio de limpieza, recolección, barrido y transporte de la ciudad de Guayaquil”. (Puerto Limpio, 2019)

PREGUNTA CIENTÍFICA A CONTESTARSE ¿Cuáles son los beneficios de automatizar los procesos de recolección de basura mediante una red de sensores con tecnología Open Source para monitorear en tiempo real el nivel de llenado de los contenedores?

DEFINICIONES CONCEPTUALES Open Source: El término Open Source hace referencia al desarrollo de software a través de un código fuente abierto, es decir que cualquier persona puede usarlo, modificarlo o mejorarlo. (Arango, R., Navarro, Á., & Padilla, J, 2014)

Algoritmo: Es la ejecución de una secuencia lógica de operaciones, generalmente matemáticas, que permiten dar solución a un problema cualquiera. (Fojo, 2014)

Computación en la nube: Es un modelo de computo distribuido para la prestación y consumos de servicios de TI, esto permite que el usuario final de estos recursos pueda acceder a los mismos sin necesidad de invertir grandes sumas de dinero en la adquisición de hardware para el armado y mantenimiento de un centro de cómputo, el cual involucraría espacio físico, una red para interconectar los equipos, soporte técnico, en otras palabras, provee recursos bajo demanda a un costo proporcional al consumo de infraestructura y software requeridos, los cuales son normalmente accesibles mediante un navegador web sin consumir recursos físicos propios. (RedUNCI, 2016)

Microcomputadora: Se trata de una máquina cuyo funcionamiento interno se basa en la inclusión tecnológica del microprocesador, a pesar de sus limitaciones de capacidad tiene algunas ventajas como, portabilidad, precio, etc. Se caracteriza por ser una computadora pequeña, guarda las mismas características que toda computadora en nuestros días, como es la capacidad de procesar datos e información para un fin determinado. (Cedano, M., José, R., Cedano, A., & Vega, A, 2014)

Virtualización: La virtualización permite que en una misma máquina física sean ejecutadas simultáneamente dos o más entornos diferentes, como múltiples sistemas operativos e incontables aplicaciones. (González, M, 2014)

Sensor: Es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación y transformarlas en variables eléctricas. (Corona, Abarca, & Jesús, 2014)

WSN: Es un conjunto de elementos que están distribuidos espacialmente, se interconectan de manera inalámbrica con poca capacidad de procesamiento, los nodos poseen sensores que miden variables como luz, temperatura, viento, contaminación, etc. (Huidobro, J., & Luque, J, 2014)

CAPÍTULO III PROPUESTA TECNOLÓGICA Este proyecto tiene como finalidad mejorar el proceso del servicio de recolección de basura en Guayaquil a través de la optimización de las rutas de recorrido. Para esto, se diseñará e implementará un sistema web que permitirá generar y visualizar las rutas óptimas de recolección de desechos sólidos a partir de las métricas adquiridas por los sensores de ultrasonido que miden el nivel de llenado de cada uno de los contenedores, los cuales son posteriormente procesados por un microcomputador que envía de manera inalámbrica a través de internet a Amazon Web Services, donde estará desplegada la plataforma informática, formando una red de sensores que se integran a la red metropolitana de la ciudad de Guayaquil, para hacer uso de su internet y poder establecer la comunicación, formando parte de la arquitectura de la plataforma informática, enfocándose en el desarrollo tecnológico sustentable en servicios automatizados de recolección de desechos sólidos. AWS es una nube de computación que permite disminuir costos de infraestructura tecnológica mediante instancias de cómputo virtuales, escalables, seguras y con alta disponibilidad.

ANÁLISIS DE FACTIBILIDAD El análisis de factibilidad aplicado a este proyecto abarca una investigación tecnológica y económica para la implementación de un sistema de monitoreo en contenedores de basura, mediante la arquitectura de redes de sensores inalámbricos (WSN), haciendo uso de la tecnología Open Source y microcomputadores que consumen poca energía eléctrica con contenedores de desechos que pueden ser autónomos por la implementación de paneles solares, para optimizar recursos.

A través de la herramienta de muestreo, se realizará una encuesta para recopilar información que determinan criterios que ayuden a la investigación.

Factibilidad operacional La arquitectura planteada procesará la información y va a generar rutas de recorrido eficientes que será visualizada a través de una interfaz web que se conecta a una API de servicios expuestas por Amazon Web Services, permitiendo que los carros recolectores de basura realicen su actividad en base a un orden de prioridad, ahorrando tiempo, combustible, costos de mantenimiento y repuestos de los vehículos ,minimizando daños ambientales, además se evita que los contenedores de basura no excedan su capacidad límite con la finalidad de erradicar los botaderos de residuos clandestinos, llegando a mejorar la imagen de la ciudad, reducción de plagas, mal olor y efectos negativos por la mala gestión de desechos, mediante los datos obtenidos por los sensores inalámbricos se automatiza el servicio de recolección provocando reducción de carga laboral.

Gráfico No. 45 Arquitectura de la plataforma

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

 Instancia EC2: Es una máquina virtual desplegada en la nube de Amazon Web Services.  Lambda: Es un paradigma tecnológico en el cual se procesa cierta información en el menor tiempo posible sin necesidad de desplegar una instancia EC2, también son conocidas como serverless.

 Amazon Route 53: Permite asociar los nombres de dominio con las direcciones IP generadas dentro de la nube de Amazon Web Services.  Amazon RDS: Es un servicio que permite desplegar motores de base de datos de manera paramétrica y escalable.  Amazon IoT: Permite generar métricas basadas en el número de transacciones que ingresan por el servicio del Internet de las Cosas.  Internet API Gateway: Permite salir hacia internet como si se tratara de una puerta de enlace.

Factibilidad técnica Para realizar un correcto diseño e implementación de la solución tecnológica se necesitan los siguientes requerimientos técnicos: ● Un microcomputador con una interfaz electrónica que permitirá conectar un sensor de ultrasonido que medirá el nivel de llenado de los contenedores de basura, además de implementar mecanismos de conectividad hacia los servicios expuesto por AWS. ● Una red de sensores inalámbricos autónomos integrados por todos los microcomputadores distribuidos geográficamente en la ciudad de Guayaquil. Cada nodo, cuenta con un sistema eléctrico conformado por una batería de 12v y un panel solar de 18v acoplados por un convertidor de 5v, brindando una buena potencia de energía y dotando al nodo de autonomía. ● La plataforma tecnológica esta implementada en Amazon Web Services, la cual es una nube de computación publica, con un modelo de facturación bajo demanda y uso de recursos de computo. Es decir, el uso de recursos implementados en la nube beneficia en la reducción de costes tecnológicos, seguridad informática, uso de personal operativo, consumo de energía eléctrica, almacenamiento de datos y disponibilidad de espacio físico. Adicional, AWS cuenta con varias regiones y zonas de disponibilidad distribuidas en el mundo para brindar alta disponibilidad y escalabilidad de los servicios, al ser uno de los gigantes tecnológicos más grandes del mundo y líder en computación en la nube, ganando en su primer semestre del año 2018 una cantidad de $ 4.163 millones de dólares, cuatro veces

más que el beneficio bruto ganado en el año 2017 el cual fue de $ 921 millones de dólares. (Amazon cuadruplica beneficios, 2018)

Gráfico No. 46 AWS líder tecnológico de infraestructura en la nube

Elaboración: Gartner, Inc Fuente: (Magic Quadrant for Cloud Infrastructure as a Service, Worldwide, 2018)

CUADRO No. 4 Recursos de Hardware EQUIPOS CANTIDAD DESCRIPCIÓN Computador 1 Equipo de prueba local Portátil Raspberry Pi 3 Microcomputador Sensor de 3 Detectar el nivel de llenado de los Ultrasonido contenedores Batería 12v 3 Almacenar energía eléctrica Panel solar 18v 3 Fuente de energía eléctrica Módulo WiFi 3 Conectividad a internet Controlador de 3 Regula el flujo de energía que circula entre la Carga batería y el panel solar Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

CUADRO No. 5 Recursos de Software RECURSO DE SOFTWARE CANTIDAD DESCRIPCIÓN COMPUTO EC2 Centos7 1 Instancia que contiene el sistema operativo Linux EBS 1 Servicio de almacenamiento de datos RDS MySQL 1 Motor de base de datos desplegada como servicio WildFly 1 Servidor de aplicaciones Aplicación Web 1 Sistema Web desarrollado en Java AWS Route 53 1 Servicio de DNS Público Amazon S3 1 Servicio para el almacenamiento de archivos Elastic IP 1 Servicio que genera address direcciones IP Públicas VPC 1 Servicio que genera un dominio privado Security Groups 1 Grupos de seguridad, reglas y credenciales de autenticación Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

Factibilidad legal Dentro del ámbito de este proyecto deben ser considerados artículos, normativas y disposiciones legales del Ecuador y Amazon Web Services. Es importante considerar que todos los servicios desplegados sobre la nube de AWS están normados bajo la ley vigente del estado en donde reside la infraestructura implementada. Por otro lado, al utilizar tecnología de software libre no se violan las leyes de propuesta intelectual y derechos de autor.

Todas las etapas del proyecto contemplan el uso de estándares y normativas que están ubicadas dentro del marco legal de la universidad de Guayaquil y del estado

ecuatoriano. Para más detalle sobre disposiciones, obligaciones y leyes, considerar en este proyecto el capítulo 2 acerca de Fundamentación legal.

Factibilidad económica Para poder desarrollar e implementar esta solución tecnológica de monitoreo de contenedores de basura mediante una red de sensores inalámbricos, se cuenta con el siguiente cuadro de costos de equipos, materiales y uso de servicios.

CUADRO No. 6 Costo Mensual de los Recursos de AWS DESCRIPCIÓN CANTIDAD VALOR TOTAL UNITARIO ($) ($) EC2 1 $50 $50 EBS 1 $12 $12 RDS 1 $50 $50 Elastic IP 1 $8.50 $8.50 S3 1 $1 $1 Route53 1 $1 $1 TOTAL $122.50 Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

Tal como se muestra en el cuadro No. 6, los costos operativos de la plataforma informática a la cual se integra la red de sensores inalámbricos mediante una interfaz web para obtener las métricas del nivel de llenado de los contenedores de basura es $122.50 dólares mensual. Estos componentes son necesarios para mantener operativa la solución tecnológica, entre los cuales se encuentra una instancia EC2 con una instalación de Linux en la cual residirá el aplicativo web, un nombre de dominio público, espacio de almacenamiento de datos, una base de datos, un contenedor de ficheros y una dirección IP pública. Por otro lado, se considera una ventaja económica tener toda la infraestructura en un centro de datos en la nube, puesto que la empresa no estará en la obligación de adquirir servidores y equipos de telecomunicaciones, además de incurrir en gastos por adecuaciones climáticas, energéticas, de espacio físico y mantenimientos preventivos.

CUADRO No. 7 Costo del Hardware Utilizado por Contenedor DESCRIPCIÓN CANTIDAD VALOR UNITARIO ($) TOTAL ($) Raspberry Pi 3 1 $60 $60 Case para Raspberry pi 3 1 $5 $5 Sensor de ultrasonido 1 $5 $5 Batería 12v 1 $12 $12 Panel solar 1 $13 $13 Controlador de Carga 1 $15 $15 TOTAL $110 Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

En el cuadro No. 7, se muestran los costos de implementación del sistema de monitoreo electrónico por cada contenedor de desechos sólidos, el cual tiene un costo por unidad de $110 dólares. Cada componente se integra al microcomputador a través de interfaces electrónicas o por medio de los pines de uso general, para crear una solución tecnológica flexible y robusta. Adicional, se cuenta con un sistema eléctrico conformado por una batería de 12V, que es alimentada por un panel solar brindándole autonomía y portabilidad al proyecto. Adicional, el sistema se conectará a una red WiFi para transmitir la información hacia una API de servicios web ubicada en Amazon Web Services. Se considera una ventaja económica utilizar un microcomputador de hardware libre, que brinda potencia de computo suficiente para desarrollar diferentes tipos de tecnologías de monitoreo y telecontrol, por otro lado, su reducido tamaño y consumo energético permite que se acople de manera sencilla a cualquier plataforma externa.

El costo total para la implementación de este proyecto con 3 nodos y el AWS, se detalla en el cuadro 8, en donde se realiza una sumatoria del hardware y software.

CUADRO No. 8 Costo total del Prototipo DESCRIPCIÓN CANTIDAD VALOR UNITARIO ($) TOTAL ($) Software 1 $122,50 $122,50 Hardware 3 $110 $330 TOTAL $452,50 Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

El costo total del presente proyecto es de $452,50, tomando como referencia la implementación de 3 contenedores de basura.

El costo de implementación en la ciudad de Guayaquil tomando como referencia los 13 centros de acopio que existen hasta la presente fecha de la investigación es de $1552,50.

ETAPA DE LA METODOLOGÍA DEL PROYECTO Este proyecto utilizará la metodología propuesta por el PMI (Project Management Institute), que promueve las buenas prácticas para la gestión de proyectos, haciendo uso de herramientas, métricas y una buena comunicación entre los interesados. EL PMI posee el libro Guide to the Project Management Body of Knowledge, (PMBOK® Guide), el cual es un libro de referencia o guía de aplicación.

Los procesos de gestión del proyecto se especifican a partir de las siguientes fases: ● Fase de Inicio. ● Fase de Planificación. ● Fase de Ejecución y control. ● Fase de Finalización del proyecto.

Fase de inicio En esta fase del proyecto, se definen los criterios iniciales, que dan origen al proyecto según la metodología PMI. Se gestionan todos los procesos documentales que darán inicio formalmente al proyecto como son: problema de

estudio, objetivos generales y específicos, cronograma de trabajo y recursos a utilizar. Esto facilitará el análisis y aceptación del proyecto por parte del tutor de tesis de la Universidad de Guayaquil.

Fase de planificación En esta fase del proyecto, coordinaremos las actividades, cronograma, costo, tiempo y alcance. Se realizará una encuesta con preguntas dirigidas a la ciudadanía, personal de pequeñas y medianas empresas de Guayaquil como parte de la estrategia y análisis económico al cual estará dirigido nuestro servicio. Así, como la creación de los escenarios de pruebas técnicas desplegados en la nube de Amazon Web Services.

Fase de ejecución y control En esta etapa del proyecto, se describen todos los procesos de diseño, desarrollo, e implementación, que dan origen a la ejecución de las pruebas técnicas y de control de la solución propuesta.

El proyecto está dividido en las siguientes etapas: ● Arquitectura general de la solución tecnológica. ● Implementación de un modelo matemático para optimizar rutas. ● Desarrollo e implementación del aplicativo web. ● Interacción de esquema eléctrico y electrónico de cada nodo. ● Evaluación y análisis de pruebas técnicas.

Fase de finalización del proyecto Una vez finiquitada todas las etapas del proyecto, se generará el análisis correspondiente a la ejecución de las pruebas técnicas para concluir el proyecto con sus resultados, conclusiones y observaciones. También se analizará la encuesta realizada para determinar las necesidades y validaciones del producto realizado en este proyecto.

ENTREGABLES DEL PROYECTO El trabajo de titulación presenta los siguientes entregables:  Manual de desarrollo, instalación e implementación de la solución.  Pruebas técnicas y evaluación del aplicativo web.

CRITERIOS DE VALIDACIÓN DE LA PROPUESTA Para la validación de nuestro proyecto fue necesario realizar encuestas al personal que labora en la empresa encargada de recolección de basura en la ciudad de Guayaquil como lo es Puerto Limpio. Además, se encuestó a la ciudadanía en general.

PROCESAMIENTO Y ANÁLISIS Para poder muestrear, clasificar, ordenar, analizar e interpretar los datos obtenidos a través de la encuesta realizada y de las observaciones obtenidas en las pruebas técnicas y de control propuestas, se utilizarán procedimientos y métodos estadísticos, además de la herramienta Microsoft Office Excel para generar gráficos y tablas que servirán de insumo para elaborar las conclusiones y recomendaciones del proyecto.

POBLACIÓN Y MUESTRA Población La población objetivo a la cual está destinada esta encuesta se encuentra compuesta por personal de Puerto Limpio y ciudadanos mayores de edad de varios sectores de la ciudad de Guayaquil.

La empresa Puerto Limpio cuenta con una población de personal de alrededor de 2300 colaboradores distribuidos de la siguiente manera, donde el personal operativo representa el 90% de la fuerza laboral (Puerto Limpio, 2019): ● Administrativos: 230 ● Mantenimiento: 125 ● Operaciones: 1664 ● Transporte: 290

Por otra parte, se realizó la misma encuesta con una muestra aleatoria de ciudadanos Guayaquileños en los sectores norte, centro y sur de la ciudad, en varios puntos de alta concurrencia. El análisis estadístico realizado a las encuestas recopiladas determinará si el proyecto cumple con los requerimientos necesarios que forman parte del alcance de los objetivos, desde una perspectiva tecnológica y financiera. Se realizaron 8 preguntas objetivas y cerradas en la encuesta, que están adjuntas en el Anexo 2.

Muestra La muestra fue generada entre la población total del personal de Puerto Limpio y los ciudadanos de la ciudad de Guayaquil en varios sectores de la urbe, se tomará una muestra de datos equivalente al 10.87% que representa 250 encuestas de la población total de 2300 trabajadores, según consta en los registros del portal web de la empresa en el año 2019, y 200 ciudadanos encuestados aleatoriamente para aumentar el tamaño muestral, dando un total de 450 encuestas.

A partir de los datos obtenidos en las encuestas realizadas, se tabularán, graficarán y analizarán los resultados para finalmente generar las conclusiones correspondientes.

Cálculo del tamaño de la muestra La fórmula que se va a utilizar es la siguiente:

푀 푛 = 푒2(푀 − 1) + 1 En donde:  n es el tamaño de la muestra.  M es el tamaño de la población.  e es el error de estimación.

CUADRO No. 9 Tamaño de la muestra 푀 푛 = 2 푒 (푀 − 1) + 1 2300 푛 = (0.06)2(2300 − 1) + 1 M = 2300 2300 푛 = (0.0036)(2299) + 1 e = 6% 2300 n = 248 푛 = (8.2764) + 1 푛 = 247.94

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

Cálculo de la fracción muestral

푛 248 푓 = = = 0.10783 푀 2300

El resultado obtenido a partir de la fórmula, indica que el tamaño de la muestra está conformado por 248 individuos que forman parte de la población total de estudio, la cual corresponde a 2300 personas que laboran en la empresa Puerto Limpio en la ciudad de Guayaquil, y 200 ciudadanos encuestados, teniendo un total muestral de 450 encuestas.

ANÁLISIS DE DATOS Análisis de la encuesta 1 ¿Cree usted que se debe aplicar tecnología en el proceso de recolección de basura?

Gráfico No. 47 Aplicar tecnología en el proceso de recolección de basura

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

Análisis: En el gráfico 47, los resultados muestran que 432 personas de 450 encuestadas consideran que los servicios de recolección de basura deben aplicar tecnología en su proceso para optimizarlo, teniendo en cuenta las diferentes ventajas y beneficios que estas pueden generar en favor de la sociedad y de la empresa a través de un buen servicio. En contraparte, de cada 450 personas 18 consideran que aplicar nuevas tecnologías no es una solución que erradicará los problemas concernientes al servicio de recolección de basura, puesto que estos van de la mano con una concientización ciudadana y una mentalidad de conservación del ambiente.

2 ¿Cree usted que las empresas de recolección de basura deberían invertir en una solución tecnológica para mejorar su servicio?

Gráfico No. 48 Invertir en una solución tecnológica para mejorar el servicio

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

Análisis: En el gráfico 48, los resultados muestran que de cada 450 personas encuestadas 439 consideran que la empresa de recolección de basura debería invertir en una solución tecnológica para mejorar su servicio, esta solución debe permitir optimizar los recursos, mejorar las rutas de recolección y brindar métricas en tiempo real para el uso del personal operativo. Por otro lado, 11 personas creen que la empresa de recolección no debería invertir en una solución tecnológica, debido a que consideran que existen factores sociales que una máquina no puede medir y que estos seguirán afectando al servicio mientras no se forme una conciencia ambiental y social.

3 ¿En qué porcentaje, considera usted, que el sistema de monitoreo en tiempo real puede ayudar a optimizar las rutas de recolección de basura?

Gráfico No. 49 Sistema de monitoreo puede ayudar a optimizar rutas

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

Análisis: En el gráfico 49, los resultados muestran que 193 personas encuestadas consideran que el sistema de monitoreo en tiempo real puede ayudar a optimizar las rutas de recolección de basura en un 70% de la carga laboral, 128 personas piensan que lograran tener un impacto del 75% y 106 personas consideran un 100%. Esto debido a que los sistemas informáticos permiten crear y analizar rutas según el comportamiento del tráfico terrestre de manera dinámica. Finalmente, se observa que solo 23 personas consideran que los sistemas de monitoreo no son tan fiables o precisos y que se depende más de la experiencia y conocimientos de los sectores.

4 ¿Qué sector cree usted que se vería más afectado ambientalmente si se paraliza el servicio de recolección de basura en la ciudad?

Gráfico No. 50 Sectores afectados ambientalmente

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

Análisis: En el gráfico 50, los resultados muestran que 234 personas de 450 encuestadas reconocen que la parte más afectada ambientalmente es el sector centro, esto debido a que este sector de la ciudad de Guayaquil es comercial y tienen altos volúmenes de basura diariamente, el sector norte y sur tienen porcentajes similares, reflejando de manera balanceada un volumen diario de basura, similar para las áreas industriales, comerciales y ciudadanía común.

5 ¿Cree usted que la tecnología es un aliado estratégico para el cuidado del medio ambiente?

Gráfico No. 51 Tecnología siendo aliado estratégico para el medio ambiente

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

Análisis: El gráfico 51, los resultados muestran que 418 personas de 450 encuestadas consideran que la tecnología es un activo valioso para las empresas, esto porque permite optimizar, flexibilizar y automatizar muchos procesos organizacionales, además de brindar beneficios económicos en la reducción de costos y tiempo, la ciudadanía considera que la tecnología ayuda a tener mayor control sobre el medio ambiente, generando mayor confort y confianza entre el ciudadano y la empresa que administra el servicio de recolección de basura, esto se puede evidenciar en grandes ciudades como en Zaragoza, España donde la tecnología permite monitorear los niveles de basura en cada contenedor urbano. Mientras que 32 personas consideran que no, esto debido a la desconfianza o falta de visión ciudadana que se tiene hacia los beneficios que puede brindar la tecnología, consideran que esto puede acarrear costos de servicio más elevados en la recaudación de impuestos.

6 ¿Qué efectos negativos cree usted que pueden ocasionar los colapsos de los contenedores de basura?

Gráfico No.52 Efectos que ocasionan los colapsos de los contenedores

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

Análisis: En el gráfico 52, los resultados muestran que 185 personas de 450 encuestadas son conscientes de todos los problemas graves que acarrean una mala gestión de la recolección de la basura tanto a nivel ambiental, social y económica para la ciudad de Guayaquil, esto es debido a que muchos de estos problemas están relacionados entre sí, pues uno o varios pueden causar daños colaterales sin un control adecuado de la situación. En un porcentaje menor las demás personas consideraron únicamente problemas puntuales, esto puede inferir una falta de conocimiento ambiental tanto por la parte ciudadana como el personal operativo de recolección de desechos sólidos, puesto que está demostrado científicamente que todos estos problemas están correlacionados entre sí.

7 ¿Considera usted que sería útil aplicar un sistema que permita monitorear los contenedores que tienen mayor volumen de basura en tiempo real?

Gráfico No. 53 Aplicar un Sistema de Monitoreo en Contenedores

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

Análisis: En el gráfico 53, los resultados muestran que 409 personas de 450 encuestadas consideran necesario la implementación de una solución tecnológica que permita monitorear los contenedores de basura en tiempo real, especialmente aquellos que tienen altos volúmenes de rotación de basura de manera diaria para evitar que estos se desborden y creen problemas asociados a la basura, a sí mismo la solución deberá brindar información a los conductores para generar las rutas de recolección de acuerdo a el nivel de volumen que se genera por cada sector, optimizando tiempo y recursos como por ejemplo, disminuyendo el consumo de combustible y administrando correctamente la cantidad de personal operativo. En un menor porcentaje, consideran que no sería útil, debido a que nuestra sociedad no está preparada para estos cambios tecnológicos o paradigmas de recolección de basura, generando un costo mayor al servicio sin tener beneficios en corto o mediano plazo.

8 ¿Conoce usted empresas que brinden productos o servicios con tecnología para monitoreo del nivel de llenado de un contenedor de basura en tiempo real?

Gráfico No. 54.Empresas aplicando tecnología para medir desechos

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

Análisis: En el gráfico 54, los resultados muestran que 409 personas de 450 encuestadas conocen empresas que bridan productos o servicios con tecnología para monitoreo del nivel de llenado de un contenedor de basura en tiempo real, esto es un indicador que a pesar de que existen desde hace unos años la tecnología para realizar este tipo de actividad, no se ha implementado aún en la ciudad de Guayaquil debido a muchos factores ya sean económicos, sociales, culturales, etc. lo que implica que la solución tecnológica no solo debe realizar su actividad principal de monitoreo, sino que debe añadir un valor diferenciado en el mercado, añadiendo nuevas funcionalidades como algoritmos de optimización de rutas y geolocalización a un costo inferior. Mientras que 41 personas desconocen de empresas, productos o servicios que permitan realizar esta actividad.

CAPÍTULO IV CRITERIOS DE ACEPTACIÓN DEL PRODUCTO O SERVICIO A partir de las pruebas técnicas realizadas sobre la implementación del prototipo del proyecto propuesto, se evaluaron los requerimientos funcionales, así como los mecanismos de control técnico del software y hardware que sirven para medir la calidad del producto desarrollado. Estos indicadores y métricas son parte de los criterios de aceptación del producto, los cuales están relacionados con los objetivos propuestos, demostrando su viabilidad tecnológica a través de una aplicación web en tiempo real que permite medir los niveles de basura de cada contenedor de la ciudad de Guayaquil, para optimizar los recursos y rutas logísticas de los servicios de recolección de desechos sólidos utilizando tecnología innovadora y de código libre. Ver Anexo 3.

Otro punto importante, que forma parte los criterios de evaluación, es la encuesta del análisis de necesidad y satisfacción del producto realizada al personal operativo de la empresa Puerto Limpio y la ciudadanía en general de la ciudad de Guayaquil, en la cual se observó que el 96% de las personas encuestadas son conscientes de la necesidad de aplicar nuevos procesos tecnológicos para mejorar la calidad del servicio de recolección de desechos sólidos. Un 92.80% indicó que la ciudad debe incluir dentro de su presupuesto nuevos paradigmas tecnológicos como son las ciudades inteligentes, las cuales permiten optimizar tiempo, costos y personal, además de brindar bienestar común a la ciudadanía como parte de la visión estratégica de los municipios.

Cuadro No. 10 Matriz de criterios de aceptación REQUERIMIENTO CRITERIO DE ACEPTACIÓN CUMPLIMIENTO Desarrollo de una  Visualización de rutas de 100% Interfaz Web. recolección basadas en distancia y nivel de llenado de los contenedores.  Visualización de la estación base o punto de partida.  Visualización de datos generales de cada contenedor en tiempo real.  Utilización de una API de geolocalización.  Visualización de áreas críticas por color.  Ingreso de nuevos puntos de acopio.  API de interacción con la red de sensores inalámbricos. Implementación del  Selección de una ruta que 100% modelo matemático recorra todos los nodos TSP por fuerza bruta. hasta llegar al punto de partida con el menor costo posible.  Selección de ruta basada en distancia geoespacial entre puntos y el nivel de llenado de un contenedor. Sistemas de  Red de sensores 100% monitoreo en tiempo inalámbricos que miden el real basado en redes nivel de llenado de un contenedor de basura en

de sensores tiempo real y que inalámbricos. almacenan la información en una nube computacional a través de una API. Despliegue de la  Infraestructura tecnológica 100% infraestructura en el implementada sobre una menor tiempo y costo. nube computacional.  Optimización de los recursos de cómputo para obtener el menor costo de facturación posible. Autonomía de los  Sistema eléctrico y de 100% microcomputadores comunicaciones autónomo. electrónicos.  Control automático de carga eléctrica. Pruebas de  Interfaz gráfica intuitiva. 100% experiencia de  Interfaz gráfica responsiva. usuario en la interfaz  Interfaz gráfica limpia gráfica. Elaboración de  Guía de usuario. 100% documentación  Instalación del sistema. técnica. Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Conclusiones Describir los conceptos de componentes del proceso para el tratamiento de los desechos sólidos ayudan a promover el uso de las políticas de reciclaje en la ciudad, por lo tanto, se crea conciencia permitiendo organizar la basura de manera más óptima y ayudando a un cambio cultural en las personas de nuestra sociedad.

La arquitectura implementada cumple con los requisitos propuestos en este proyecto tecnológico, desde la integración de una red de sensores inalámbricos hasta la generación de la información mediante un aplicativo web que permite visualizar las rutas de recolección de los desechos sólidos de una manera rápida, sencilla e intuitiva que puede utilizar el personal operativo para delimitar las rutas, y así disminuir costos, tiempo y uso de personal. Esta interfaz, además es responsiva y adaptable a cualquier dispositivo móvil, siendo requisito fundamental la portabilidad, la precisión, la fácil administración y la escalabilidad.

El algoritmo Travelling Salesman Problem o TSP por sus siglas en inglés, fue la mejor opción para resolver el problema del recorrido óptimo de recolección de basura, el cual tiene la premisa de pasar por todos los nodos presentes una única vez hasta regresar al punto de inicio con el menor costo posible en distancia. Para lo cual, se utilizó una de sus variantes conocidas, la cual es el modelo de fuerza bruta que tiene una tasa optima de generación de rutas con una precisión mayor al 98%, comparados con otros modelos matemáticos, como son el modelo del vecino más cercano o la heurística de inserción, esto debido a que genera todas la permutaciones posibles hasta hallar las mejores rutas, este algoritmo es muy útil cuando se tiene una cantidad de nodos no extensa, debido al tiempo computacional que tarda para realizar los cálculos.

Finalmente, el sistema electrónico que permite medir el nivel de llenado de los contenedores de basura está diseñado con un microcomputador Raspberry Pi que tiene características de bajo consumo de energía, alto poder de cómputo y capacidad de acople intrínseca a la red de sensores inalámbricos, brindando autonomía, escalabilidad y fácil despliegue con el menor coste y tiempo posible.

Recomendaciones Se recomienda que las personas clasifiquen sus desechos en fundas con colores referentes a cada código estipulado para los desechos, para poder gestionar la descarga de residuos de forma más eficiente.

Para obtener un mejor control y monitoreo en tiempo real del servicio de recolección de basura, se debe considerar integrar alarmas o eventos que se ejecuten bajo ciertos escenarios o condiciones definidas por el usuario, a través de SMS o correo electrónico, esto permitirá que ciertos contenedores puedan ser discriminados o incluidos en una ruta bajo un esquema de prioridades. Adicional, se puede implementar un esquema de recorrido de rutas guiado por los servicios de Google, los cuales son propietarios y tienen un coste mensual, por volumen transaccional y número de nodos.

El tiempo y la precisión son dos factores fundamentales para tomar decisiones en la selección de rutas de recolección de desecho sólidos, por lo cual se debería considerar implementar otros modelos matemáticos que cumplan con los requisitos y objetivos del proyecto, según sea su necesidad. Por otro lado, se puede mejorar el tiempo de ejecución del modelo de fuerza bruta ejecutando el aplicativo con varios hilos de procesos en paralelo y con una infraestructura conformada de varios núcleos de procesadores físicos.

Finalmente, en contenedores de mayor tamaño se debe considerar utilizar un sensor de ultrasonido con un ángulo de apertura mayor, de manera que pueda obtener las medidas con un margen de error pequeño, debido a las características físicas de los desechos sólidos, los cuales no tienen una superficie homogénea, adicional se debe considerar que en zonas de poca visibilidad o espacios cerrados se deberá conectar el contenedor a un suministro de energía eléctrica público, así como la conexión hacia internet.

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ANEXOS ANEXO 1 Cronograma del proyecto

Gráfico No. 55 Cronograma del proyecto

100

ANEXO 2 Encuesta

UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS Y FÍSICAS INGENIERÍA EN NETWORKING Y TELECOMUNICACIONES

Implementación de un sistema de monitoreo para contenedores de basura mediante la arquitectura de redes de sensores inalámbricos (WSN) para optimizar recursos, haciendo uso de la tecnología Open Source.

Estamos interesados en conocer su opinión, por favor, ¿sería tan amable de contestar la siguiente encuesta? La información que proporcione será utilizada para conocer las necesidades y problemáticas que tiene el servicio de recolección de basura de la ciudad de Guayaquil.

El cuestionario dura 3 minutos aproximadamente, gracias. 1. ¿Cree usted que se debe aplicar tecnología en el proceso de recolección de basura? a) Si b) No 2. ¿Cree usted que las empresas de recolección de basura deberían invertir en una solución tecnológica para mejorar su servicio? a) Si b) No 3. ¿En qué porcentaje, considera usted, que el sistema de monitoreo en tiempo real puede ayudar a optimizar las rutas de recolección de basura?

a) 0 b) 25 c) 50

101

d) 75 e) 100 4. ¿Qué sector cree usted que se vería más afectado ambientalmente si se paraliza el servicio de recolección de basura en la ciudad? a) Norte b) Centro c) Sur 5. ¿Cree usted que la tecnología es un aliado estratégico para el cuidado del medio ambiente? a) Si b) No 6. ¿Qué efectos negativos cree usted que pueden ocasionar los colapsos de los contenedores de basura? a) Enfermedades b) Inundaciones por obstrucción de alcantarillas c) Contaminación ambiental d) Mala imagen de la ciudad e) Aparición de plagas f) Todas las anteriores 7. ¿Considera usted que sería útil aplicar un sistema que permita monitorear los contenedores que tienen mayor volumen de basura en tiempo real? a) Si b) No 8. ¿Conoce usted empresas que brinden productos o servicios con tecnología para monitoreo del nivel de llenado de un contenedor en tiempo real? a) Si b) No

102

Gráfico No. 56 Visita a los centros de acopio de basura

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

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ANEXO 3 Diseño, Instalación y Guía de Usuario El presente proyecto utiliza una arquitectura que permite integrar una red de sensores inalámbrica con los servicios de Amazon Web Services de manera desacoplada. Adicional, el diseño del software fue creado bajo el paradigma de microservicios, el cual expone a través de una colección de API’s de servicios web que integran la lógica funcional del aplicativo web.

Requerimientos funcionales del proyecto Se requiere diseñar una red de sensores inalámbricos para monitorear el nivel de llenado de los contenedores de basura de la ciudad de Guayaquil en tiempo real a través de sensores de ultrasonido, luego procesarla y enviarla a AWS en donde se encuentra desplegada el aplicativo web que permite visualizar y generar una ruta óptima para los recorridos que deben realizar los camiones recolectores. Por lo cual se necesita cumplir con los siguientes criterios o componentes:  Una región de AWS para poder realizar la instalación de una instancia EC2.  Una instancia EC2 con la capacidad de cómputo necesaria para ejecutar el aplicativo web.  Mecanismos de seguridad para la infraestructura desplegada en Amazon Web Services.  Asociar la IP pública a un nombre de dominio, que permita acceder desde internet al aplicativo web.  Una base de datos relacional para almacenar la información del monitoreo de la red de sensores inalámbricas.  Un aplicativo web desarrollado en Java bajo el paradigma de microservicios.  Microcomputadores Raspberry Pi con capacidad de conexión WiFi.  Interfaces de conexión hacia AWS mediante un cliente REST.  Interfaces electrónicas con un sensor de ultrasonido para medir el nivel relativo de llenado de un contenedor.  Microcomputadores autónomos tanto a nivel de esquema eléctrico como de comunicaciones.

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Gráfico No. 57 Arquitectura del proyecto

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

Como podemos ver en el gráfico 57, la arquitectura seleccionada mantiene una separación de los componentes principales, es decir, el servidor de aplicaciones en una instancia EC2, la base de datos relacional en el servicio RDS y los ficheros de datos en el servicio S3 de Amazon Web Services, de manera que todos los componentes están integrados en una misma arquitectura pero cada uno de ellos son independientes del otro, brindando un desacople tecnológico que permite alta escalabilidad y disponibilidad del servicio.

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Otro punto importante, es que se tiene habilitado un dominio público para poder acceder desde una URL de internet hacia al aplicativo web mediante el API Gateway, este redireccionará hacia la dirección IP pública creada con el servicio Elastic IP de AWS.

Proceso de instalación y configuración de la infraestructura en AWS

Primero se debe registrar dentro de Amazon Web Services, para conseguir las credenciales y la llave privada para poder acceder a los componentes instanciados mediante SSH. Ver Gráfico 58.

Gráfico No. 58 Página principal de login de la consola AWS

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

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1. Dentro de la consola de administración se crearán todos los recursos de cómputo que se necesiten. Ver Gráfico 59.

Gráfico No. 59 Consola de administración de AWS

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

2. Secuencia de pasos a seguir para desplegar instancias EC2 dentro de AWS. Ver Gráfico 60.

Gráfico No. 60 Despliegue de instancias EC2 en AWS

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

107

3. Creando una instancia EC2 dentro de Amazon Web Services en la región Norte de Virginia. Ver Gráfico 61.

Gráfico No. 61 Creando una instancia EC2 en la región de N. Virginia

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

4. Seleccionar una imagen AMI de CentOS para crear una instancia EC2 dentro de Amazon Web Services. Ver Gráfico 62.

Gráfico No. 62 Seleccionar una imagen AMI para la instancia EC2

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

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5. Seleccionar un tipo de instancia según las características de hardware necesarias. Ver Gráfico 63.

Gráfico No. 63 Seleccionar el tipo de instancia EC2 a desplegar

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

6. Configurar el detalle de configuración de la instancia EC2 a desplegar en AWS. Ver Gráfico 64.

Gráfico No. 64 Configurar el detalle de configuración de la instancia EC2

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

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7. Agregar un volumen EBS a la instancia EC2 a desplegar en AWS. Ver Gráfico 65.

Gráfico No. 65 Agregar un volumen de almacenamiento a la instancia EC2

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

8. Configurar un grupo de seguridad para la instancia EC2 a desplegar en AWS. Ver Gráfico 66.

Gráfico No. 66 Configurando un grupo de seguridad en la instancia EC2

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

110

9. Visualizar el resumen de la instancia EC2 a desplegar en la región Norte de Virginia. Ver Gráfico 67.

Gráfico No. 67 Instancia EC2 por desplegar en la región Norte de Virginia

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

10. Creando una llave pública para las instancias EC2 desplegadas sobre la región Norte de Virginia. Ver Gráfico 68.

Gráfico No. 68 Seleccionar el Key Pair creado en la región Norte Virginia

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

111

11. Visualizar el Key Pair creado en la región Norte de Virginia. Ver Gráfico 69.

Gráfico No. 69 Visualizar el Key Pair creado en la región Norte de Virginia

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

12. Instancia EC2 desplegadas en la en la región Norte de Virginia. Ver Gráfico 70.

Gráfico No. 70 Instancia EC2 desplegada en la región Norte de Virginia

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

112

13. Panel de mando de las instancias EC2 desplegadas dentro de Amazon Web Services en la región Norte de Virginia. Ver Gráfico 71.

Gráfico No. 71 Panel de mando, instancias EC2 desplegadas en Virginia

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

14. Generar una llave privada para conectarse remotamente a la instancia EC2 en ejecución dentro de Amazon Web Services en la región Norte de Virginia. Ver Gráfico 72.

Gráfico 72 Llave privada para conectarse remotamente mediante SSH

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

113

Gráfico No. 73 Guardar la llave privada generada desde el Key Pair

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

Gráfico No. 74 Usando PuTTY para conectarse remotamente a AWS

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

114

Gráfico No. 75 Asociar la llave privada a una sesión SSH en AWS

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

15. Shell de la instancia EC2 en ejecución dentro de Amazon Web Services en la región Norte de Virginia. Ver Gráfico 76.

Gráfico No. 76 Instancia EC2 ejecutada en la región Norte de Virginia

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

115

16. Instalando el servidor de aplicaciones en la instancia EC2 desplegada en la región Norte de Virginia.

sudo yum update -y sudo yum install nano -y sudo yum -y install java-1.8.0-openjdk

nano ~/.bash_profile

export JAVA_HOME=/usr/lib/jvm/java-1.8.0-openjdk-1.8.0.222.b10- 0.el7_6.x86_64 PATH=$PATH:$HOME/.local/bin:$HOME/bin:$JAVA_HOME/bin export PATH export CLASSPATH=$JAVA_HOME/jre/lib:$JAVA_HOME/lib:$JAVA_HOME/lib/t ools.jar

cd /opt/ sudo mkdir wildfly sudo groupadd -r wildfly sudo useradd -r -g wildfly -d /opt/wildfly -s /sbin/nologin wildfly cd /tmp

WILDFLY_VERSION=17.0.1.Final sudo curl -O https://download.jboss.org/wildfly/17.0.1.Final/wildfly- $WILDFLY_VERSION.tar.gz sudo tar zxvf /tmp/wildfly-$WILDFLY_VERSION.tar.gz -C /opt/ sudo ln -s /opt/wildfly-$WILDFLY_VERSION/ /opt/wildfly/ sudo chown -RH wildfly:wildfly /opt/wildfly sudo mkdir -p /etc/wildfly sudo cp /opt/wildfly/docs/contrib/scripts/systemd/wildfly.conf /etc/wildfly/

sudo nano /etc/wildfly/wildfly.conf WILDFLY_CONFIG=standalone-full.xml

116

sudo cp /opt/wildfly/docs/contrib/scripts/systemd/launch.sh /opt/wildfly/bin/ sudo cp /opt/wildfly/docs/contrib/scripts/systemd/wildfly.service /usr/lib/systemd/system/ sudo sh -c 'chmod +x /opt/wildfly/bin/*.sh' sudo mkdir /var/run/wildfly/ sudo chown -R wildfly:wildfly /var/run/wildfly/ sudo systemctl enable wildfly.service sudo systemctl start wildfly.service sudo systemctl status wildfly sudo /opt/wildfly/bin/add-user.sh sudo chmod -R 777 /opt/wildfly/ sudo cat >> /etc/wildfly/wildfly.conf << EOF > # the address to bind console to > WILDFLY_CONSOLE_BIND=0.0.0.0 > EOF sudo nano /opt/wildfly/bin/launch.sh

#!/bin/bash if [ "x$WILDFLY_HOME" = "x" ]; then WILDFLY_HOME="/opt/wildfly" fi if [[ "$1" == "domain" ]]; then $WILDFLY_HOME/bin/domain.sh -c $2 -b $3 -bmanagement $4 else $WILDFLY_HOME/bin/standalone.sh -c $2 -b $3 -bmanagement $4 Fi

117

sudo nano /usr/lib/systemd/system/wildfly.service

[Unit] Description=The WildFly Application Server After=syslog.target network.target Before=httpd.service

[Service] Environment=LAUNCH_JBOSS_IN_BACKGROUND=1 EnvironmentFile=-/etc/wildfly/wildfly.conf User=wildfly LimitNOFILE=102642 PIDFile=/var/run/wildfly/wildfly.pid ExecStart=/opt/wildfly/bin/launch.sh $WILDFLY_MODE $WILDFLY_CONFIG $WILDFLY_BIND $WILDFLY_CONSOLE_BIND StandardOutput=null

[Install] WantedBy=multi-user.target

sudo systemctl daemon-reload sudo systemctl restart wildfly.service sudo systemctl start wildfly.service sudo systemctl status wildfly.service

118

17. Usando WordPress en la instancia EC2 en ejecución dentro de Amazon Web Services en la región de Ohio. Ver Gráfico 77.

Gráfico No. 77 Pantalla de inicio del servidor de aplicaciones Wildfly

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

Gráfico No.78 Creación de usuario y grupo para el servidor de aplicaciones

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

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Creación de un usuario y grupo para el servidor de aplicaciones WildFly desplegada sobre la instancia Ec2 en el Norte de Virginia.

Gráfico No. 79 Pantalla de administración, servidor de aplicaciones WildFly

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

18. Creando una instancia RDS de MySQL dentro de Amazon Web Services en la región Norte de Virginia. Ver Gráfico 80.

Gráfico No. 80 Pantalla de creación de una instancia de base de datos

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

120

Pantalla de creación de una instancia de base de datos mediante el servicio RDS de Amazon Web Services.

19. Seleccionar el servicio RDS para crear una instancia de base de datos. Ver Gráfico 81.

Gráfico No. 81 Seleccionar motor base de datos MySQL en AWS

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

Gráfico No. 82 Parámetros iniciales del motor de base de datos MySQL

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

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Gráfico No. 83 Parámetros iniciales del motor de base de datos MySQL

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

20. Seleccionar el servicio RDS para crear una instancia de base de datos y crear un grupo de seguridad para el motor de base de datos. Ver Gráfico 84.

Gráfico No. 84 Creando grupo de seguridad para el motor de base de datos

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

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21. Creando un datasources en el servidor de aplicaciones WildFly, integrando la base de datos con el servidor de aplicaciones WildFly mediante un datasources. Ver Gráfico 85.

Gráfico No. 85 Integrando la base de datos con el servidor de aplicaciones

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

22. Servidor de aplicaciones WildFly ejecutándose en una instancia EC2 dentro de la región Norte de Virginia. Ver Gráfico 86.

Gráfico No. 86 Servidor aplicación WildFly ejecutándose en instancia EC2

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

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23. Registrar un nombre de dominio público dentro de Amazon Web Services. Ver Gráfico 87.

Gráfico No. 87 Dominio registrado en la consola de Amazon Web Services

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

24. Asociar una dirección IP pública a la instancia EC2 dentro de la región Norte de Virginia, utilizando una IP elástica se puede acceder a la instancia independientemente de la IP publica asignada automáticamente por AWS, la cual puede cambiar si la instancia es terminada. Ver Gráfico 88.

Gráfico No. 88 Asociar dirección IP publica en región Norte de Virginia

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

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Gráfico No. 89 Seleccionar el ámbito de la IP elástica

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

Seleccionar el ámbito de la IP elástica dentro de la región Norte de Virginia en la consola de AWS.

Gráfico No. 90 Dirección IP elástica creada en Amazon Web Services

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

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Gráfico No. 91 Seleccionar instancia EC2 para asociarla con una IP elástica

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

25. Una vez creada y asociada la IP elástica, se la asocia con la instancia EC2 creada dentro de la región Norte de Virginia. Ver Gráfico 92.

Gráfico No. 92 Dashboard de instancias EC2 desplegadas en Amazon Web

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

26. Administración de DNS dentro de Amazon Web Services, para configurar el nombre de dominio público con la dirección pública de la instancia desplegada. Ver Gráfico 93.

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Gráfico No. 93 Dashboard de administración de DNS

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

27. Creación de zonas hospedadas a través del servicio Amazon Route 53 que administra los nombres de dominio con los servidores de nombres autorizados en los centros de datos de todo el mundo. Ver Gráfico 94.

Gráfico No. 94 Crear una zona hospedada en Amazon Web Services

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

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28. Creando una zona hospedada pública, con el nombre de dominio “proyectoscloudaws.uk”, para redirigir el tráfico de internet. Ver Gráfico 95.

Gráfico No. 95 Crear un nombre de dominio en Amazon Web Services

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

Gráfico No. 96 Nombres de dominios registrados en Amazon Web Services

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

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Nombres de dominio registrados en AWS para replicar los subdominios creados en cada zona hospedada.

Gráfico No. 97 Asociar la dirección IP pública en la región Norte de Virginia

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

Creando un conjunto de registros de tipo ALIAS para asociarlo con la dirección IP publica dentro de la región Norte de Virginia.

Arquitectura de una Red de Sensores de Inalámbricos Esta arquitectura está diseñada para poder desacoplar la plataforma informática con los nodos integrados dentro de la red, de manera que la red es escalable, segura y flexible ante cualquier cambio. Adicional, esto permite mayor autonomía de los dispositivos electrónicos tanto a nivel eléctrico como de comunicaciones ofreciendo un esquema rápido y económico para desplegar complejas infraestructuras de servicio de monitoreo en tiempo real. El diseño de comunicaciones está constituido por un módulo WiFi que permite conectarse a internet en donde se encuentra alojado el aplicativo web.

Nodo electrónico compuesto por un micromputador Raspberry Pi y un sensor de ultrasonido para medir el nivel de llenado de los contenedores de basura y

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enviarlos mediante una conexión REST hacia los servicios expuestos en Amazon Web Services. Ver Gráfico 98.

Gráfico No. 98 Esquema de un nodo de monitoreo en tiempo real

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

Sensor de Ultrasonido Se selecciona un sensor de ultrasonido para medir el nivel de llenado de los contenedores, debido a que este es inmune a interferencias producidas por el espectro electromagnético. Otro punto importante, es su fácil configuración e instalación a través de una interface digital que mide la velocidad con que una onda de sonido sale y regresa del sensor, de modo que, mediante una ecuación matemática con un factor pre configurado, se puede determinar la distancia entre el objeto y el sensor. Ver gráfico 99.

Gráfico No. 99 Sensor de ultrasonido

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

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Características principales del sensor:  Voltaje de alimentación: 5V  4 pines: Vcc, Trigger, Echo, GND  Rango de medición: de 2 cm a 450 cm  Dimensión del módulo: 45x20x15 mm  Corriente de alimentación máxima: 15 mA  Frecuencia del pulso: 40 KHz  Angulo de apertura del pulso ultrasónico: 15º  Retardo de la señal de disparo: 10uS

CUADRO No. 11 Prueba técnica del sensor ultrasonido Modelo Consumo Distancia No. de % de Eléctrico Máxima observaciones error HC-SR04 15 mA 5 m 100 0.3% Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

Raspberry Pi Componente electrónico con altas prestaciones de cómputo, bajo costo y consumo de energía, con el que se pueden implementar diversos proyectos de manera sencilla y rápida gracias a la facilidad de integración con diversos módulos y componentes. Tal como se puede visualizar en el Gráfico 100. Gráfico No. 100 Raspberry Pi

Elaboración: Raspberry Pi Foundation. Fuente: (Raspberry PI 3 modelo B, 2018)

131

Tarjeta MicroSD

Dispositivo de almacenamiento, que se utilizará para instalar el sistema operativo Raspbian y los principales drivers para los diversos componentes electrónicos. Para este proyecto se utilizará una MicroSD de 64Gb. Ver Gráfico 101.

Gráfico No. 101 Tarjeta MicroSD para almacenar el sistema operativo

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

Pasos para instalar el sistema operativo Raspbian: 1. Descargar la imagen ISO que contiene el sistema. En esta investigación se utilizará el sistema operativo Raspbian Buster Lite Versión Julio 2019, el cual está basada en la distribución liviana de Linux Debian. Descargar la imagen ISO de la siguiente página: https://downloads.raspberrypi.org/raspbian_lite_latest.

Gráfico No. 102 Software Raspbian

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

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2. Inserta la tarjeta MicroSD en tu computador. Para instalar el sistema operativo Raspbian en una Raspberry Pi, se necesita una tarjeta MicroSD de 64Gb. Esta tarjeta se formateará con el aplicativo Etcher, que además instala y prepara el sistema operativo, el cual se puede descargar de la siguiente ruta: https://etcher.io/. Ver Gráfico 103.

Gráfico No. 103 Tarjeta MicroSD

Elaboración: Sandisk MicroSD Fuente: (Sandisk MicroSD 16GB, s.f.)

Gráfico No. 104 Formatear e instalar la distribución de Linux en la microSD

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

133

Gráfico No. 105 Tarjeta MicroSD lista para ser utilizada

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

3. Habilitar SSH Para poder conectarse a la consola, es necesario habilitar el acceso mediante SSH, para lo cual se debe crear un archivo “ssh” sin extensión en la partición boot de la MicroSD. Ver Gráfico 106.

Gráfico No. 106 Habilitar el puerto 22 de conexión remota

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

Creación de un archivo sin extensión llamado ssh para habilitar el puerto 22 de conexión de remota.

134

4. Conectarse remotamente a la Raspberry mediante SSH Para conectarse a la Raspberry Pi, se utiliza la herramienta PuTTY, en el cual se configurará el usuario y la contraseña predeterminada, para posteriormente cambiar la contraseña. Ver Gráfico 107.  username: pi  password: raspberry

Gráfico No. 107 Conexión mediante PuTTY a la Raspberry mediante SSH

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

Gráfico No. 108 Consola de Linux mediante conexión SSH

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

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5. Proceso de configuración de la Raspberry Pi Para configurar la Raspberry Pi, se deberá configurar varios archivos, scripts y servicios que permitirán cumplir con las especificaciones del proyecto propuesto.

Configurar el acceso por conexión WiFi

#sudo nano /etc/wpa_supplicant/wpa_supplicant.conf network={ ssid="tesisdiegonixon" psk="Pa$$w0rd01" }

#sudo ifconfig wlan0 down #sudo ifconfig wlan0 up #sudo iwlist wlan0 scan # dmesg | more

Configurar la interfaz de red de la Raspberry Pi

#sudo nano /etc/network/interfaces auto wlan0 allow-hotplug wlan0 iface wlan0 inet manual wpa-roam /etc/wpa_supplicant/wpa_supplicant.conf

Instalar librerías de Python

#sudo apt install python-pip -y #sudo pip install requests

Habilitar el servicio CRON #sudo systemctl enable cron.service #sudo systemctl start cron.service

136

#sudo systemctl stop cron.service #sudo systemctl restart cron.service #sudo systemctl status cron.service

* todos # crontab –e # m h dom mon dow command * * * * * /opt/sistema/ULTRASONIDO/taskNivel.sh

Código en Python del sensor de ultrasonido

#!/usr/bin/env python # -*- coding: utf-8 -*- """" Fórmula para calcular la distancia d = V*(t/2) V = velocidad del sonido t = tiempo, que tarda la señal de ir del emisor al obstáculo y volver al receptor """ import RPi.GPIO as GPIO import time GPIO.setmode(GPIO.BCM)

TRIG = 26 #pin 37 como TRIG ECHO = 19 #pin 35 como ECHO

137

V = 34300 # Velocidad del sonido 34300cm/s cotaMin = 2 cotaMax = 400

#print "Medicion de la distancia en curso"

GPIO.setup(TRIG,GPIO.OUT) #TRIG como salida GPIO.setup(ECHO,GPIO.IN) #ECHO como entrada

GPIO.output(TRIG, False) #TRIG en estado bajo #print "Espere que el sensor se estabilice" time.sleep(4) #Esperar 2 segundos

GPIO.output(TRIG, True) #TRIG en estado alto time.sleep(0.00001) #Delay de 0.00001 segundos GPIO.output(TRIG, False) #TRIG en estado bajo while GPIO.input(ECHO)==0: #Comprueba si ECHO está en estado bajo pulse_start = time.time() #Guarda el tiempo transcurrido, mientras está en estado bajo while GPIO.input(ECHO)==1: #Comprueba si ECHO está en estado alto pulse_end = time.time() #Guarda el tiempo transcurrido, mientras está en estado alto t = pulse_end - pulse_start #Se obtienen la duración del pulso, calculando la diferencia entre pulse_start y pulse_end distancia = t * (V/2) #Se multiplica la duración del pulso, por 17150, para obtener la distancia distancia = round(distancia, 2) #Se redondea a dos decimales

138

if distancia > cotaMin and distancia < cotaMax: #Comprueba si la distancia está dentro del rango print distancia #Imprime la distancia else: print "0" #Imprime fuera de rango

GPIO.cleanup()

Interfaz REST cliente en Python para conectarse a AWS:

#!/usr/bin/python import sys import math import requests value = sys.argv[1] nodo = 'nodo008' target = 48 nivel = ((target - float(value))/target)*100

URL = 'http://www.geoevolutionrouting.proyectoscloudaws.uk:8080/GeoEvol utionRouting/api/v1/geoevolution/update/'+nodo+'/'+ "{0:.2f}".format(math.fabs(nivel)) print(URL) response = requests.put(URL) if response.status_code == 200: print(response.text) elif response.status_code == 400: print(response.text) elif response.status_code == 404:

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print('Not Found.')

Script “taskNivel.sh” para ejecutar el procedimiento de medición de nivel de llenado de un contenedor:

#! /bin/bash

sudo python /opt/sistema/ULTRASONIDO/ultrasonido.py | xargs python /opt/sistema/ULTRASONIDO/restclientAPI.py $@

Actualizar el sistema operativo Raspbian:

#sudo apt-get update -y

6. Esquema de base de datos en MySQL Para configurar la base de datos MySQL se creará el siguiente esquema que contiene la estructura necesaria para cumplir con la funcionalidad del aplicativo. Ver Gráfico 109.

Gráfico No. 109 Consola de Linux mediante conexión SSH

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

140

Gráfico No. 110 Tablas de base de datos que contiene las lecturas tomadas

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

7. IDE de programación para el aplicativo web desarrollado en Java El IDE permite crear aplicativos desarrollados en un lenguaje de programación a través de un esquema de trabajo que permite agilizar, flexibilizar y mantener el código. Se utilizó el IDE NetBeans, el cual es de código libre en el cual se crearán todas las clases y objetos a utilizar dentro del sistema web como es la lógica funcional y las conexiones con base de datos y servicios externos. Ver Gráfico 111.

Gráfico No. 111 IDE de desarrollo NetBeans 8.2

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

141

Luego, en NetBeans se procede a invocar el pool de datos dentro del archivo persistence.xml. Ver Gráfico 112.

Gráfico No.112 Archivo persistence.xml para configurar el pool de datos

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

Una vez, finalizado el desarrollo del software, se procede a ejecutar el aplicativo.

Gráfico No. 113 Servidor de aplicaciones WildFly ejecutándose

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

142

8. Integración de la base de datos con el servidor de aplicaciones a través de un datasources Se creará un datasources en el servidor de aplicaciones WildFly, el cual permitirá crear una conexión automática hacia la base de datos. Ver Gráfico 114.

Gráfico No. 114 Integración de un datasources con el servidor

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

9. Esquema de conexión del sensor de ultrasonido El sensor de ultrasonido está conectado a la Raspberry Pi a través de sus cuatro pines, en la que se visualiza de la siguiente manera. Ver Gráfico 115. Donde, la fórmula para calcular los valores de las resistencias queda de la siguiente manera:

(푅1 ∗ 푅2) 푉표푢푡 = 푉푖푛 푅1 + 푅2

De manera que si tengo una entrada de 5V y deseo una salida de 3.3V aproximadamente, los valores resistivos quedan definidos con los siguientes valores: R1= 1K y R2=2K respectivamente.

143

Gráfico No. 115 Esquema conexión sensor de ultrasonido con Raspberry Pi

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

Gráfico No. 116 Divisor de voltaje para conectar pin echo con Raspberry Pi

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

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Gráfico No. 117 Circuito electrónico del sensor de ultrasonido

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

10. Esquema de conexión eléctrico El esquema de conexión eléctrico se encuentra compuesto de los siguientes componentes: una batería de 12V a 4ah, un panel solar de 18V a 10W, un controlador de carga con salida de 12V/5V DC con una entrega máxima de hasta 2.5A. Ver Gráfico 118.

Gráfico No. 118 Esquema de conexión eléctrico

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

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11. Integración de nodos a la red de señores inalámbrica Para integrar los nodos a la red de sensores inalámbricos se necesitarán los siguientes componentes eléctricos, electrónicos y de comunicaciones, los cuales se muestran en el gráfico 119.

Gráfico No. 119 Componentes electrónicos, eléctricos y de comunicaciones

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

Gráfico No. 120 Contenedores de basura que integrarán la red de sensores

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

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Gráfico No. 121 Contenedores de basura parte trasera

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

12. Funcionamiento de un contenedor de basura encendido A continuación, se muestra el gráfico 122, donde se tiene un contenedor de basura integrado con el micromputador, el panel solar, la batería y el módulo WiFi para conectarse hacia internet.

Gráfico No. 122 Sistema encendido, conectado a una batería y panel solar

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

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Integración de la red de sensores inalámbricas y guía de usuario del aplicativo web. El aplicativo web está desarrollado en el lenguaje de programación Java, bajo el paradigma de microservicios de manera que todos los componentes están desacoplados entre sí, brindando mayor flexibilidad y escalabilidad.  El aplicativo web cuenta con las siguientes opciones:  Inicio  Monitoreo  Mantenimiento

La opción Acerca de la pantalla Inicio muestra la página principal del proyecto con el tema y los nombres de los autores. Ver Gráfico 123.

Gráfico No. 123 Pantalla de inicio de aplicativo web

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

La opción Rutas de la pantalla de Monitoreo muestra la ruta optima generada en base al algoritmo TSP en modo fuerza bruta, con la premisa de que debe recorrer todos los nodos una única vez hasta llegar al nodo de origen con el menor costo en distancia lineal.

Cuando se ingresa a la opción, aparece el nodo base con el icono del carro recolector de basura que se encuentra situado en la zona de transferencia de basura reservada para la ciudad de Guayaquil. Ver Gráfico 124.

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Gráfico No. 124 Pantalla Rutas de la opción de monitoreo

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

Para generar las rutas se debe dar clic en el botón “Generar Ruta”, para lo cual se ejecutará el algoritmo que permitirá obtener la mejor ruta visualizada sobre la API de GoogleMaps.

Gráfico No. 125 Visualizando la mejor ruta de recolección

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

Dentro de la opción Rutas, se mostrará unos círculos que representa el nivel de prioridad de recolección de cada contenedor, es decir aquellos que tienen el color verde representa un nivel menor al 25%, el color naranja un nivel menor al 75% y mayor al 25% y finalmente el color rojo para aquellos niveles superiores al 75%.

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Gráfico No. 126 Contenedor color verde, valor medido 10% de llenado

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

Gráfico No. 127 Contenedor color naranja, valor medido de 75%

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

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Gráfico No. 128 Contenedor color rojo, valor medido de 79.04%

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

La opción Matriz de Distancias de la pantalla Monitoreo, muestra la tabla de distancia de todos los nodos entre sí, esto permite obtener de manera precisa la distancia entre cada punto a seguir dentro del recorrido. Ver Gráfico 129.

Gráfico No. 129 opción Matriz de Distancia de la pantalla de Monitoreo

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

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La opción nodos de la pantalla de mantenimiento permite gestionar los nodos ingresados dentro del sistema, así como los nuevos nodos que se deben integrar, de manera que el usuario se situara sobre el punto que quiere agregar para luego ingresar el código y nombre de dicho nodo. Posteriormente, se ingresa el nodo para que autonómicamente se integre a la red de sensores inalámbricos. Ver Gráfico 130.

Gráfico No. 130 Opción Nodos, se visualiza todos los nodos ingresados

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

Gráfico No. 131 Opción Nodos, ingresar nuevo nodo a la red de sensores

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

152

Si se desea eliminar un nodo se debe procede a dar clic en el ícono eliminar, con esto aparecerá una confirmación para eliminar el registro o cancelar el evento. Ver Gráfico 132.

Gráfico No. 132 Opción Nodos, se eliminará un nodo en la red de sensores

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

Finalmente, se demuestra a través del aplicativo PostMan, el cual es de código libre y permite probar y desarrollar servicios web, como se invoca los servicios REST API desplegado en la nube de Amazon Web Services, el cual es utilizado por cada nodo de la red para enviar la información correspondiente del código y nivel actual de contenedor por cada minuto. Ver Gráfico 133.

Gráfico No. 133 Herramienta PostMan, desarrollar y probar servicios web

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

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ANEXO 4 Análisis y evaluación de rendimiento de la red de sensores inalámbricos y aplicativo web. El presente análisis evalúa el rendimiento, las métricas y requerimientos de recursos de cómputo que deben ser consideradas para dimensionar la arquitectura desplegada, y así viabilizar el proyecto tecnológicamente. Adicional, con estos parámetros se optimiza la facturación mensual de la infraestructura desplegada en Amazon Web Services según la necesidad del cliente. En este proyecto se realizaron una serie de pruebas de estrés transaccional al aplicativo web, de manera que se determine la capacidad óptima de la instancia EC2 desplegada, la base de datos y el algoritmo implementado. Se utilizará el software JMeter que permitirá simular transacciones realizadas por los usuarios durante un periodo de tiempo de manera concurrente, para finalmente mostrar los resultados estadísticos del rendimiento.

Se configura 100 usuarios conectados de manera concurrente durante un período de un segundo, en el cual se enviarán las transacciones al aplicativo web, posteriormente se ejecuta la prueba, dando clic en el ícono de color verde ubicado en la parte superior derecha que dice ejecutar. Ver Gráfico 134.

Gráfico No. 134 Parametrización de JMTER

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

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Se configura la dirección IP y puerto del aplicativo web en el programa JMTER, y así mismo la URL principal del servicio web desplegada en la instancia EC2 en donde se realizó la prueba de carga transaccional. Ver Gráfico 135.

Gráfico No. 135 Programa JMTER para pruebas transaccionales

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

Gráfico No. 136 Parametrización de las pruebas técnicas

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

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Se puede observar que todas las transacciones generadas fueron exitosas, es decir la tasa de error es aproximadamente cero por ciento, lo cual permite deducir que el aplicativo web tiene una capacidad de procesamiento transaccional superior a los 100 usuarios recurrentes, el procesador seleccionado para la instancia EC2 es el t2.small, con una capacidad adecuada para soportar un volumen transaccional alto, por otro lado, se puede evidenciar que el algoritmo se ejecuta de manera correcta dentro de la instancia en el menor tiempo posible con una cantidad de nodos ingresados de 15. Otro punto importante, es la arquitectura la cual tiene un diseño desacoplado que ayuda en rendimiento a la base de datos y los esquemas transaccionales. Ver Gráfico 137.

Los resultados obtenidos en los reportes de JMETER se muestran a continuación:

Gráfico No. 137 Resultado de parametrización de las consultas enviadas

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

Se puede observar que todas las respuestas transaccionales se contestaron correctamente. Ver Gráfico 138.

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Gráfico No. 138 Resultado de las pruebas técnicas realizadas

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

Se puede observar la correlación de datos entre el tiempo de inicio y fin de la transacción, lo cual ayuda a visualizar la desviación estándar o tasa de error. Ver Gráfico 139.

Gráfico No. 139 Resultado de la encuesta - gráficos

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

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Se resume en la siguiente pantalla, la tasa de error, la desviación estándar y velocidad de transacciones por segundos. Ver Gráfico 140.

Gráfico No. 140 Resultado de las pruebas técnicas

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

Finalmente, se valida el consumo de memoria, procesamiento y rendimiento de los dispositivos de almacenamiento mediante el comando ps en una shell de Linux, observando que los recursos se encuentran en los límites adecuados durante las pruebas transaccionales. Ver Gráfico 141.

Gráfico No. 141 Rendimiento del sistema

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

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Se muestra a continuación el panel de monitoreo de la instancia EC2 desplegada en la región Norte de Virginia, en donde se puede observar que los parámetros se encuentran dentro de los limites estables para el procesador t2.small. Ver Gráfico 142.

Gráfico No. 142 Dashboard de rendimiento de la instancia EC2

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

Se muestra a continuación el panel de monitoreo de los bloques de almacenamiento de información desplegada en la región Norte de Virginia, en donde se puede observar que los parámetros se encuentran dentro de los límites de operaciones de entrada y salida. Ver Gráfico 143.

Gráfico No. 143 Rendimiento del bloque de almacenamiento de información

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

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Se muestra a continuación el panel de monitoreo de la base de datos desplegada en la región Norte de Virginia, en donde se puede observar el rendimiento de la CPU, memoria, ciclos de entrada y salida, se encuentran dentro de los límites estables para una gestión recurrente de 100 usuarios aproximadamente por segundo. Ver Gráfico 144.

Gráfico No. 144 Rendimiento del bloque de almacenamiento de información

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

A continuación, se muestra el panel de facturación de Amazon Web Services, en donde se visualiza un costo aceptable para las pruebas técnicas realizadas durante esta etapa del proyecto. Ver Gráfico 145.

Gráfico No. 145 Rendimiento del bloque de almacenamiento de información

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

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Las siguientes métricas son obtenidas a partir del servidor de aplicaciones WildFly, en donde se validará el consumo de memoria, número de transacciones recurrentes, consumo de la JVM y nivel de procesamiento, mediante el Dashboard integrado en la consola de administración. Ver Gráfico 146.

Gráfico No. 146 Rendimiento del bloque de almacenamiento de información

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

Gráfico No. 147 Número de operaciones transaccionales procesadas

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

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Por último, se valida, que, a pesar de generar un número considerable de transacciones recurrentes, solo se abre una única sesión con la base de datos. Con lo cual se puede evidenciar que la conexión mediante un datasources es óptima, y a su vez permite escalar considerablemente una gran cantidad de nodos sin afectar el rendimiento del aplicativo web. Ver Gráfico 148.

Gráfico No. 148 Número sesiones activas en las pruebas transaccionales

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

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ANEXO 5 Prototipo del diseño de un contenedor de basura autónomo para la medición del nivel de llenado de residuos sólidos.

Gráfico No. 149 Diseño de un contenedor de basura autónomo

Elaboración: Diego Santacruz – Nixon Bastidas Fuente: Los autores

Un centro de acopio tipo para contenedores es de 4,5 m3, que son los parámetros establecidos por el Municipio de Guayaquil para almacenamiento de residuos.

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ANEXO 6 Licencia gratuita intransferible y no exclusiva para el uso no comercial de la obra con fines no académicos.

Yo, Nixon Andrés Bastidas Chiquito con C.I. No. 0950426544 y Diego Fernando Santacruz Salazar con C.I. No. 0924177017, certificamos que los contenidos desarrollados en este trabajo de titulación, cuyo título es “Diseño de un sistema de monitoreo para contenedores de basura mediante la arquitectura de redes de sensores inalámbricos (WSN) para optimizar recursos, haciendo uso de la tecnología Open Source.” Es de nuestra absoluta propiedad y responsabilidad Y SEGÚN EL Art. 114 del CÓDIGO ORGÁNICO DE LA ECONOMÍA SOCIAL DE LOS CONOCIMIENTOS, CREATIVIDAD E INNOVACIÓN, autorizamos el uso de una licencia gratuita intransferible y no exclusiva para el uso no comercial de la presente obra con fines no académicos, en favor de la Universidad de Guayaquil, para que haga uso de este, como fuera pertinente.

______Nixon Andrés Bastidas Chiquito Diego Fernando Santacruz Salazar CI: 0950426544 CI: 0924177017

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