Revista Científica de Ingeniería, Industria y Arquitectura
Vol.7, Núm.14 (jul-dic 2024) ISSN: 2737-6451
Cita sugerida: Ganazhapa, A., Tiupul, K., & Chamba, G. (2024). Dispositivo
IoT e-tool utilizando protocolo CoAP para el monitoreo de las condiciones de
salud laboral. Revista Científica FINIBUS – Ingeniería, Industria y
Arquitectura. 7(14) 147-154 https://doi.org/10.56124/finibus.v7i14.014
DOI: https://doi.org/10.56124/finibus.v7i14.014
Recibido: 29-abril-2024 Revisado: 28-junio-2024
Aceptado: 10-julio-2024 Publicado: 31-julio-2024
Artículo
Dispositivo IoT e-tool utilizando protocolo CoAP
para el monitoreo de las condiciones de salud laboral
Ángel Ganazhapa Malla
[1]
Klever Tiupul Urquizo
[2]
Gastón Chamba Romero
[1]
[1] Consultor independiente.
[2] Instituto Superior Tecnológico Luis Arboleda Martínez – Ecuador.
Autor para correspondencia: k.tiupul@istlam.edu.ec
Resumen
La importancia estratégica de las e-tool basadas en IoT desde el punto de vista de la seguridad y salud laboral radica en su
aporte para la identificación de condiciones de riesgos laborales a partir de la gestión de la información de los entornos de
trabajo y sus factores ambientales, en consonancia con los lineamientos de la OMS y normativas internacionales. La
metodología para el desarrollo de un prototipo incluye la exploración del protocolo de comunicación, el diseño de una
arquitectura integral (hardware y software), la implementación y pruebas de funcionalidad. Con la ayuda del método ágil XP
(Extreme Programming) se desarrolló el front-end (interfaz del usuario) de la aplicación utilizando Flutter. Para la transmisión
de datos se emplea CoAP por su eficiencia en redes inalámbricas y su capacidad para manejar comunicaciones asincrónicas;
se obtuvieron mediciones ambientales de la temperatura, iluminación, calidad del aire, altitud, presión y humedad mediante
sensores electrónicos conectados a la PCB del microcontrolador ATmega32U4 y en la interfaz de interconexión inalámbrica
se utilizó un microcontrolador expressif como un hotspot wifi. Con Node JS se configura el back-end (interfaz de programación)
del sistema empleando dos servidores, el primero para la recepción de datos desde el prototipo mediante el CoAP, y para
alimentar a la aplicación con información se desarrolló un servidor de recursos. Después de un periodo de operación en distintas
áreas, se pudieron comparar los datos obtenidos con los niveles recomendados en la salud ocupacional.
Palabras Clave: e-tool, CoAP, Node JS, IoT, riesgos laborales, seguridad y salud ocupacional.
IoT e-tool device using CoAP protocol for monitoring occupational health conditions.
Abstract
The strategic importance of IoT-based e-tools in terms of occupational health and safety lies in their contribution to identifying
workplace hazards through the management of information from work environments and their environmental factors, in
accordance with WHO guidelines and international regulations. The methodology for developing a prototype includes
exploring communication protocols, designing a comprehensive architecture (hardware and software), implementation, and
functionality testing. With the assistance of the agile XP (Extreme Programming) method, the front-end (user interface) of the
application was developed using Flutter. CoAP was chosen for data transmission due to its efficiency in wireless networks and
ability to handle asynchronous communications. Environmental measurements of temperature, lighting, air quality, altitude,
pressure, and humidity were obtained using electronic sensors connected to the PCB of the ATmega32U4 microcontroller, with
an expressif microcontroller used in the wireless connectivity interface as a Wi-Fi hotspot. Node JS was used to configure the
system's back-end (programming interface) using two servers, the first for receiving data from the prototype via CoAP, and a
resource server was developed to supply information to the application. After a period of operation in different areas, the
collected data could be compared against recommended occupational health levels.
Keywords: e-tool, CoAP, Node JS, IoT, occupational risk, occupational health and safety.
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Ganazhapa et al. (2024) https://doi.org/10.56124/finibus.v7i14.014
1. Introducción
La información se ha convertido en uno de los mayores
tesoros que puede poseer una empresa en la actualidad. Los
datos y su procesamiento nos ayudan a comprender
situaciones complejas o de poca relevancia para los
humanos. En el trabajo, las personas pueden verse expuestas
a diversos riesgos que pueden provocar problemas de salud
a mediano y largo plazo. Delgado et al. (2020) indica que la
salud laboral tiene como fin la salud física, mental y el
bienestar de los trabajadores. La OMS en su resolución
WHA60.26 insta a los estados miembros a garantizar la salud
de los trabajadores. En este aspecto las herramientas
electrónicas (e-tool) en el ámbito de salud y seguridad
laboral son necesarias para ayudar a las empresas en la
identificación y prevención de riesgos asociados al ámbito
laboral.
El IoT se ha convertido en un aliado estratégico para obtener
información respecto el entorno que nos rodea,
expandiéndose rápidamente a muchas áreas. Khanna & Kaur
(2020) indican un gran abanico de aplicaciones de IoT entre
las cuales consta la salud pública y el monitoreo ambiental
entre muchas otras y en diferentes escenarios, para así
resolver desafíos reales con soluciones innovativas, de
costos reducidos y de rápida implementación e integración.
Tao et al. (2021) explora las tecnologías emergentes de IoT
y así como los grandes desafíos venideros.
En Archana (2024) y Tiwari et al. (2021) se estudian varios
dispositivos IoT enfocados al monitoreo de la salud
demostrando la necesidad de estos para el control preciso y
remoto de las condiciones de salud de sus usuarios. Miao &
Yang (2022) han creado un sistema de monitoreo de aire y
calidad de agua, demostrando una gran eficacia y viabilidad
mediante el utilizo de dispositivos LoRa desplegados en
varios nodos para recabar información de manera eficiente y
oportuna. En Vallejo-Sanchez et al. (2024) se plantea una
arquitectura IoT para el monitoreo ambiental misma que
incluye tres capas fundamentales: capa de dispositivos, capa
de red, y capa de aplicación.
Con base a lo expuesto, el propósito de esta investigación es
diseñar e implementar una herramienta electrónica (e-tool)
de bajo costo que esté vinculada al concepto IoT y que brinde
información en tiempo real sobre el entorno laboral, mismo
que puede utilizarse en pequeñas y medianas empresas para
ayudar en aplicación de políticas de prevención laboral
mediante la identificación y prevención de los riesgos
asociados acorde a los datos ambientales obtenidos.
Para el desarrollo del prototipo, se planteó una arquitectura
basada en Vallejo-Sanchez et al. (2024) misma que incluye
una arquitectura de desarrollo de software. Para ello se
establecieron tres objetivos específicos:
(1) Explorar la funcionalidad del protocolo CoAP; (2)
Diseñar la arquitectura (hardware y software) del prototipo;
(3) Implementar el prototipo y realizar las pruebas de
funcionalidad.
2. Background
2.1. Internet de las Cosas (IoT)
Debido a los avances en la tecnología de la información y la
comunicación en los últimos años, el Internet de las cosas
(IoT) ha aumentado significativamente, permitiendo a las
personas conectarse a Internet a través de una amplia gama
de dispositivos y desde una variedad de lugares. Hoy en día,
no solo las personas están conectadas a Internet, sino
también los objetos que nos rodean. La gran cantidad de
sensores interconectados mediante IoT ha hecho que las
decisiones basadas en la información sean mucho más
eficientes (Işıkdağ, 2020).
El IoT surgió cuando el Internet tenía más conexiones que la
cantidad de personas en la Tierra. Se ha aplicado a una gran
variedad de campos, incluidas las viviendas, las ciudades, los
automóviles, la atención médica, la agricultura, la industria
entre muchos otros. IBSG (Internet Business Solutions
Group) de Cisco describe al IoT como un punto en el tiempo
en el que se conectaron a internet más cosas u objetos que
personas. Hasta la fecha la Organización Internacional de
Normalización (ISO) así como Instituto de Ingenieros
Eléctricos y Electrónicos (IEEE, por sus siglas en inglés) han
definido el estándar de IoT para el desarrollo de dispositivos,
en la Figure 1 se muestra la pila del protocolo del modelo
ISO:
Figure 1: Stack de protocolo de la arquitectura de la IoT (Modelo
ISO).
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Dispositivo IoT e-tool utilizando protocolo CoAP para el monitoreo de las condiciones de salud
laboral
2.2. Protocolo CoAp
La comunicación IoT con internet se realiza como cualquier
dispositivo conectado a la red, utilizando un protocolo para
la transferencia y recepción de información. Existen varios
protocolos de comunicación utilizados en la trama de datos
de la capa de aplicación, Ashar Tariq (2020) muestra que
CoAP funciona mucho mejor en comparación con HTTP,
MQTT, ecc, proporcionando comunicación confiable entre
los nodos inalámbricos entre otras características tales como
menor pérdida de datos en redes CoAP de alto tráfico.
CoAP se puede definir como el protocolo especializado para
el uso en nodos inalámbricos, restringidos y limitados por su
baja potencia; se comunica con un modelo cliente/servidor
de forma asíncrona lo que le da mayor interactividad a través
de internet.
2.3. Seguridad y Salud Ocupacional
Según Instituto Nacional de Seguridad y Salud en el Trabajo
(INSST) (2023), se establecen estrategias para lograr
entornos de trabajo seguros y saludables. Se pueden
encontrar diferentes tipos de aspectos que pueden provocar
riesgo laboral como:
• Riesgos por condiciones de seguridad: Se refiere al
estado de la maquinaria o estructuras que podrían
provocar accidentes.
• Riesgos por agentes físicos: Se produce por las
emisiones de energía como: el ruido o vibraciones
provocados por maquinaria, la iluminación y
variaciones de temperatura y la emisión de radiación,
ultrasonidos o radiofrecuencias.
• Riesgos por agentes químicos: se producen por la
exposición a agentes contaminantes en el ambiente de
trabajo.
• Riesgos por agentes biológicos: generados por la
exposición a bacterias, parásitos, virus, hongos y
organismos que pueda producir alguna infección o
alergia.
• Riesgo psicológico: provocada por la carga de trabajo
excesiva que pueden llegar a producir fatiga,
agotamiento o estrés y por consiguiente daños
psíquicos como enfermedades nerviosas.
2.4. Herramientas tecnológicas en seguridad y salud
ocupacional
La evolución tecnológica ha permitido la incorporación de
IoT en muchos campos de estudio, y la seguridad laboral no
es la excepción. Esto ha permitido que agentes involucrados
generen herramientas electrónicas (e-tool) para prevenir los
riesgos laborales.
Las herramientas electrónicas de seguridad y salud laboral
pueden prestar ayuda y recursos a organizaciones en la
gestión de los riesgos laborales como legislación para la
prevención de riesgos laborales y, fomentar la prevención
para fines informativos.
Utilizando las herramientas electrónicas (European Agency
for Safety and Health at Work, 2020) se puede lograr: (1)
Capacitar al personal para aplicar la prevención de riesgo
laboral; (2) Facilitar la captación de datos de las e-tool para
la toma de decisiones; (3) Ayudar a identificar los riesgos en
el lugar de trabajo; (4) Facilita la evaluación de riesgos; (5)
Presentar soluciones a los problemas de seguridad y salud
laboral; (6) Apoyar la aplicación de medidas preventivas.
Varios dispositivos electrónicos fueron utilizados para
realizar el hardware que soporte la recepción de datos, la
conversión y adecuación de las señales, la interpretación de
estas, y el envío de la trama de datos a través de la red
inalámbrica. Como core principal se utilizó un
microcontrolador de la familia atmega específicamente el
ATmega32U4 que sirve para la recolección de señales
provenientes de varios sensores: temperatura, humedad,
presión, altitud, luminosidad, calidad de aire, nivel de ruido
y en la interfaz de interconexión inalámbrica se utilizó un
microcontrolador expressif, chip de bajo consumo
energético con un stack TCP/IP para wifi.
3. Metodología
A continuación, se describe la metodología utilizada en cada
uno de los objetivos planteados.
Estudio del funcionamiento del protocolo CoAP
Se recopiló información concerniente a varios protocolos
que funcionan al mismo nivel que CoAP. Mediante el
método de análisis comparativo (Ayala, 2022) se llega a una
conclusión específica de por qué se debe utilizar el protocolo
CoAP en el desarrollo de este proyecto.
Diseñar la arquitectura (hardware y software) del prototipo.
Para cumplir con la primera parte de este objetivo, referente
al hardware se utilizó el método deductivo para obtener
información sobre los componentes de hardware utilizados,
y finalmente, debido a la variedad de componentes de
hardware disponibles, se aplicó en conjunto el método
analítico, el método empírico y la experticia para seleccionar
los elementos de hardware ideales acordes a las necesidades
planteadas. Para lograr la segunda parte de este objetivo
relacionada con el desarrollo de software, se utilizó el
método de Programación Extrema (XP), que permite un
desarrollo ágil para proyectos de corto plazo.
Implementación del prototipo y pruebas de funcionalidad.
Para cumplir con el último objetivo del proyecto se
implementó el sistema en un entorno real y se realizó un
seguimiento mediante observación directa. Se comprobó que
los datos variaron según los impulsos físicos aplicados.
4. Resultados
4.1. Estudio del funcionamiento del protocolo CoAp
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Los diferentes protocolos que existe en la capa de aplicación
de los dispositivos IoT se analizaron como se establece en
(Ayala, 2022), en esta etapa del análisis comparativo, se
definieron los objetos a comparar y las características con los
que serán evaluados, mismos que están reflejados en la
Figure 1.
Tabla 1: Diferentes protocolos que existe en la capa de aplicación
de los dispositivos IoT (Ayala, 2022).
Característica
MQTT
CoAP
Facilidad de
implementación
Implementación
fácil, pero es
complicado añadir
ciertas extensiones
como la traducción
a HTTP
Fácil implementación,
pero soporte en
crecimiento con pocas
librerías existentes
Consumo de
energía
Consume más que
CoAP
Consume menos que
MQTT
Protocolo sobre el
que opera
Utiliza TCP
Utiliza UDP
Modelo de
comunicación
Tipo
Publicación/Suscri
pción
Tipo
Pregunta/Respuesta y
Publicación/Suscripció
n
Envío de mensajes
Tipo asíncrono
Tipo síncrono y
asíncrono
Confiabilidad
QoS0: Entrega no
garantizada
QoS1:
Confirmación de
entrega
QoS2: Doble
confirmación de
entrega
Tiene mensajes
confirmables y no
confirmables, tiene
respuestas ACKs y
puede utilizar
retransmisiones.
Tipo de seguridad
Por defecto no
definida, se puede
utilizar TLS/SSL
Utiliza DTLS o IPSec
Tamaño de
cabeceras
Utiliza 2 Bytes
Utiliza 4 Bytes
Nodo de
comunicación
Modelo muchos a
muchos (m:n)
Modelo uno a uno
(1:1)
Utiliza RESTful
NO
SI
Saturación
Alta en consumo
alto de red
Baja
Latencia
Baja
Baja
Gestión de errores
NO
SI
Uso más común
Exteriores o
Interiores
Exteriores o Interiores
Se destacaron 3 etapas para la construcción de un análisis
comparativo exitoso: (1) se definen los principales
conceptos, propiedades y características de los objetos a
comparar, (2) se seleccionaron los objetos a comparar
justificando su selección en base a las características y
conceptos obtenidos en la etapa anterior y, (3) se realizó el
análisis de los casos específicos de protocolos a partir de la
comparación de variables determinantes y constantes en
cada objeto a comparar.
De acuerdo con las necesidades el protocolo, CoAP es el que
mejor se adapta al desarrollo de esta aplicación IoT, porque
cuenta con compatibilidad REST, protocolo de seguridad,
mínimo consumo de recursos para operar.
4.2. Diseñar la architectura del hardware y software del
prototipo
Se recolecta la medición de los sensores de humedad,
temperatura, calidad del aire, nivel de luz y nivel de sonido
mediante una PCB. Se procesan los datos para crear una
trama de información y se envía al servidor mediante una
solicitud HTTP utilizando CoAP. La trama es recibida por el
servidor CoAP en el servidor Node JS y se procesa y guarda
en una base de datos. La app móvil procesa y obtiene la trama
utilizando un servidor Node JS. La información se muestra y
se compara dentro de la aplicación móvil.
Los sensores envían las señales recabadas al
microcontrolador atmega en iteraciones de 30 segundos,
creando así una trama de datos. El microcontrolador
funciona como un concentrador de información el cual se
encarga de enviar la trama a la interfaz de conexión
inalámbrica. En la Figura 2, se puede visualizar la
arquitectura planteada tanto como para los diferentes
dispositivos hardware así como para el software
desarrollado.
Figura 2: Diagrama de bloques del registro y procesado de
información
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Dispositivo IoT e-tool utilizando protocolo CoAP para el monitoreo de las condiciones de salud
laboral
I) Diseño e implementación del prototipo IOT: El
propósito del microcontrolador expressif es hacer del
dispositivo una herramienta capaz de trabajar en dos modos,
el primero es ser un hotspot para configurar la conexión y el
segundo mantener al dispositivo conectado a internet para
enviar información al servidor mediante el protocolo CoAP
al servidor.
II) Implementación de la aplicación móvil: Para el
desarrollo de software se ha seleccionado la metodología
Extreme Programming (XP).
III) Especificaciones del requerimiento: Para el
planteamiento de los requerimientos funcionales y no
funcionales de Software se utilizó el estándar IEEE 830-
1998.
IV) Selección de tecnología: En función del tiempo y
experticia se definen las tecnologías para la construcción del
software, en la Tabla 2 se pueden visualizar las tecnologías
de desarrollo y software utilizados.
Tabla 2: tecnologías de desarrollo utilizadas
Software
Lenguaje de
programación
Framework/
Kit/Entorno
IDE
Aplicació
n móvil
Dart
Kit UI Flutter
Intellij
IDEA
Servidor
CoAP
JavaScript
Node JS con
capa de CoAP
Visual
Studio
Code
Servidor
JS
JavaScript
Node JS
Visual
Studio
Code
Base de
datos
SQL
MySQL (Gestor
de base de
datos)
Workben
ch
(Herramie
nta
visual)
Programa
s arduino
C++ (adaptación
de avr-libc)
Librerías
controladoras de
dispositivos
IDE
arduino
V) Valores óptimos en la salud ocupacional: La Duke
(2019) recopila el estándar de niveles recomendados de
iluminación dependiendo de la actividad que se realiza,
mismas que podemos segmentar en tres grupos importantes:
- Exigencias visuales bajas 50 a 200 lux, por ejemplo
escaleras y pasillos.
- Exigencias visuales moderadas 500 a 100 lux, por
ejemplo salas de videoconferencias, laboratorios y
oficinas.
- Exigencias visuales altas 1500 a 2000 lux, por ejemplo
mesa de diseño, taller de montaje de piezas con
precisión milimétrica.
En cuanto a los niveles de temperatura y humedad, Maestre
(2023) encuentra los rangos establecidos son de 23°C a 25°C
y 45% al 60% respectivamente para temporadas de verano y
21°C a 23°C y 40% al 50% para temporadas de invierno,
además menciona que los niveles de concentración de
dióxido de carbono (CO
2
) en sitios laborales no debe exceder
los 1000 ppm.
Finalmente, en Instituto Nacional de Seguridad y Salud en el
Trabajo (INSST) (2023) se establece la Norma ISO 11690-
1:1997 para niveles de ruido en oficinas con trabajos
rutinarios con un rango aceptable de 45 dB a 55 dB y para
lugares de trabajo que implican concentración de 35 dB a 45
dB.
VI) Pruebas de rendimiento y estrés del software: En esta
sección se utiliza Artillery, como herramienta de NodeJS que
permite mediante la declaración de un fichero de
configuración definir el número de usuarios y peticiones para
la simulación y así registrar los resultados de latencia y
duración para el mínimo, máximo entre otros. Para ejecutar
las pruebas se tomaron en cuenta dos parámetros
importantes, el tiempo de ejecución de las pruebas
(Duration) y el número de peticiones por segundo que se
realizarán (ArrivalRate), los resultados obtenidos se reflejan
en la Tabla 3.
Tabla 3: Resultados de las pruebas de rendimiento y estrés del
sistema
No. Fase
de
prueba
Duració
n
ArrivalRate
Resultados
1
10s
5
Escenarios lanzados: 118
Escenarios completados: 29
Peticiones completadas: 122
Latencia media: 1142.1 ms
Códigos de respuesta 400: 122
2
10s
10
Escenarios lanzados: 145
Escenarios completados: 26
Peticiones completadas: 149
Latencia media: 5080.1 ms
Códigos de respuesta 400: 144
3
10s
20
Escenarios lanzados: 187
Escenarios completados: 31
Peticiones completadas: 116
Latencia media: 8496.6 ms
Códigos de respuesta 400: 116
4
10s
40
Escenarios lanzados: 229
Escenarios completados: 22
Peticiones completadas: 120
Latencia media: 18012.1 ms
Códigos de respuesta 400:120
Resultado final de todas las
peticiones
Escenarios lanzados: 776
Escenarios completados: 776
Peticiones completadas: 2328
Latencia media: 25622.6 ms
Códigos de respuesta 400:
2328
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4.3. Implementar el prototipo y realizar pruebas
A continuación, en la Tabla 4 se presentan las características
de las oficinas en donde se realizaron las pruebas del
dispositivo.
Como resultados se obtuvieron los siguientes. La Figura 3
muestra la ventana de aplicación con los valores promedio y
las diferentes medidas que realiza el dispositivo e-tool. La
Figura 4 y Figura 5 se muestran los valores obtenidos por
el dispositivo ubicado en los diferentes lugares de trabajo. La
Figura 6 y Figura 7 se indican las medidas realizadas por el
dispositivo al ubicarlo al exterior del edificio
Tabla 4: Características de los lugares de prueba.
Oficina
Dimensiones
Iluminación
Natural
Ventilación
Número
Empleados
Piso
Electrónica
10 x 10 m
Alta
Alta
6
4
Diseño
12x13 m
Media
Media
11
1
Desarrollo
5 x 5 m
Baja
Baja
5
1
Personal
4 x 3 m
Baja
Baja
1
1
Exterior
---
Alta
Alta
0
0
Figura 3: Recolección de información y
presentados en la aplicación
Figura 4: Promedio de niveles de sonido,
temperatura y humedad en las oficinas
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laboral
Figura 5: Promedio calidad del aire, luz,
presión y altitud en las oficinas
Figura 6: Medidas exterior: sonido,
temperatura y humedad
Figura 7: Medidas exterior: calidad del
aire (C0
2
), luz, presión, altitud
5. Conclusiones
La herramienta e-tool desempeña un papel importante en la
recolección y el análisis de datos pues logra mostrar de
manera eficiente los niveles recolectados por los sensores
para en base a la información recabada poder activar y
facilitar de manera oportuna los mecanismos de intervención
necesarios.
El departamento de Electrónica es el que mejor ambiente de
salud laboral posee pues sus valores promedios
correspondientes a las diferentes medidas realizadas
estuvieron dentro de los valores óptimos para salud
ocupacional recomendados por diferentes instituciones.
El departamento de Personal (RRHH) requiere atención
prioritaria en cuanto a la presencia excesiva de humedad, y
sumando la baja de ventilación en un área de 12 m2 en la que
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labora tan solo una persona, además porque el nivel de
smoke es superior a todas las áreas de trabajo.
Al exterior del edificio, el sonido, temperatura y humedad se
mantienen constantes en promedio de 45 dB, 21°C y 75%
respectivamente, lo cual es normal para el ambiente exterior,
se puede notar que existe una gran variación de niveles de
luz por los diferentes pasos de nubes sobre el lugar.
El desarrollo del sistema es económico debido a la
sensorística y el hardware asociado, mismos que se pueden
conseguir fácilmente en las tiendas especializadas.
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Contribución de los autores (CRediT)
Conceptualización: A.G.M.; Contenidos y datos: A.G.M.,
K.T.U., G.C.R.; Análisis formal de datos: A.G.M., G.C.R.;
Investigación: K.T.U., G.C.R.; Metodología: A.G.M.,
G.C.R.; Validación: K.T.U., G.C.R.; Redacción-revisión y
edición: A.G.M., K.T.U. Todos los autores han leído y
aceptado la versión publicada del manuscrito.
Conflicto de intereses
Los autores han declarado que no existe conflicto de
intereses en esta obra.
Derechos de autor 2024. Revista Científica
FINIBUS - ISSN: 2737-6451.
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