ARTÍCULO DE INVESTIGACIÓN

Aplicación móvil para determinar el índice ultravioleta en condiciones de cielos despejados

Mobile Application to Determine the UV Index in Clear Sky Conditions

Taipe Huaman, Ciro William; Huillca Arbieto, Matias; Mendoza Mamani, Eva Genoveva; Gallegos Ramos, Julio Rumualdo

Ciro William Taipe Huaman

c.taipe@unaj.edu.pe

Universidad Nacional de Juliaca Perú

Matias Huillca Arbieto

mhuillca@unap.edu.pe

Universidad Nacional del Altiplano Perú

Eva Genoveva Mendoza Mamani

eg.mendoza@unaj.edu.pe

Universidad Nacional de Juliaca Perú

Julio Rumualdo Gallegos Ramos

juliogallegos01@gmail.com

Universidad Nacional de Juliaca Perú

Revista Ingenierías USBMed

Universidad de San Buenaventura, Colombia

ISSN-e: 2027-5846

Periodicidad: Semestral

vol. 13, núm. 1, 2022

ingenierias.usbmed@usb.edu.co

Recepción: 11 Diciembre 2019

Aprobación: 15 Diciembre 2021

URL: http://portal.amelica.org/ameli/journal/536/53633355363335002/

DOI: https://doi.org/10.21500/20275846.4333

Modelo de publicación sin fines de lucro para conservar la naturaleza académica y abierta de la comunicación científica

ePub generado a partir de XML JATS4R

Resumen: La investigación se enfoca en el desarrollo una aplicación móvil para determinar el índice ultravioleta (IUV) para la región de Puno, para cielos despejados, se aplica la metodología de desarrollo de aplicaciones móviles el cual consiste en cinco etapas para el desarrollo de la aplicación. Para la implementación de la aplicación móvil se ha utilizado herramienta de programación Android Studio, el cual nos provee de simuladores de móviles. Y para el desarrollo del algoritmo que permite calcular el IUV se utilizó las ecuaciones matemáticas de Iqbal, Spencer y Hernández, los cuales se implementaron en código. Para la validación de los datos calculados se utilizó el coeﬁciente de correlación entre los valores calculados por la aplicación móvil y el modelo TUV para la ciudad de Puno para cielos despejados, obteniéndose valores de correlación mayores a . = 0.98. Concluyendo que se logró desarrollar y evaluar una aplicación móvil que permite calcular valores IUV con una conﬁabilidad del 98 % para la región Puno, en función a los parámetros de latitud, hora y número de día juliano obtenidos por el teléfono móvil.

Palabras clave: Aplicación móvil, Índice ultravioleta, Android Studio, Puno.

Abstract: The research focuses on the development of a mobile application to determine the ultraviolet index (IUV) for the Puno region, for clear skies, the mobile application development methodology is applied which consists of ﬁve stages for the development of the application. For the implementation of the mobile application, the Android Studio programming tool has been used, which provides us with mobile simulators. And for the development of the algorithm that allows to calculate the IUV, the mathematical equations of Iqbal, Spencer and Hernández were used, which were implemented in code. For the validation of the calculated data, the correlation coeﬃcient between the values calculated by the mobile application and the TUV model for the city of Puno for clear skies was used, obtaining correlation values greater than .= 0.98. Concluding that it was possible to develop and evaluate a mobile application that allows to calculate IUV values with a 98 % reliability for the Puno region, based on the parameters of latitude, time and Julian day number obtained by the mobile phone.

Keywords: Mobile Application, Ultraviolet Index, Android Studio, Puno.

I. Introducción

Las Organizaciones Internacionales Especializadas de las Naciones Unidas como la Organización Meteorológica Mundial (OMM), la Organización Mundial de la Salud (OMS), el Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA) y otras organizaciones no gubernamentales han propuesto la creación de un índice simple que informe a la población de los riesgos a la exposición a la radiación solar, este es el índice ultravioleta (IUV). En el Perú se promulgo la ley N. 30102, ley que dispone medidas preventivas contra los efectos nocivos para la salud por la exposición prolongada a la radiación solar. En su artículo 7 (Difusión de los niveles de radiación solar), especiﬁca que se debe difundir diariamente los niveles de radiación ultravioleta en el país, así como sus efectos para la salud y la institución encargada es a través del Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología del Perú (SENAMHI).

En la actualidad, la información de los valores del IUV se obtiene de las bases de datos proporcionadas en las páginas web, como la que ofrece el SENAMHI (1), que son valores promedio diarios para grandes regiones, que diﬁeren de los valores estimados en tiempo real, debido a las características del lugar, el tipo de clima que se presenta. La otra forma de obtener valores de IUV es por medio de aplicaciones móviles que proporcionan datos de páginas web, también son valores estimados promedio que diﬁeren de las mediciones in situ, porque estos valores se estiman para áreas grandes y no se consideran la nubosidad que puede presentarse en el lugar. También hay aplicaciones que se basan en la cámara del teléfono móvil que no depende de ninguna base de datos, solo en la información proporcionada por la imagen; la diﬁcultad es que no puede estimar los valores del IUV correctos, cuando estas imágenes no se toman de la manera adecuada (2). También hay aplicaciones basadas en el uso del sensor de luz del teléfono móvil para estimar el valor del IUV, utiliza un factor de proporcionalidad con la radiación solar global, lo que diﬁculta la estimación del IUV (3), debido a que esta proporcionalidad es para los valores promedio diarios del IUV que diﬁere de las estimadas en tiempo real, considerando que la intensidad de la radiación solar varía durante el día. La otra forma de obtenerlo es a través de instrumentos de medición como espectroradiómetros e instrumentos portátiles de medición del IUV, cuyo resultado es extremadamente preciso, el inconveniente es que las ciudades no tienen acceso al uso de estos instrumentos.

Los teléfonos móviles, especialmente los teléfonos inteligentes se están desarrollando rápidamente en los últimos años y se están convirtiendo en los dispositivos centrales de comunicación y computación en la vida diaria de las personas. Junto con el desarrollo de los teléfonos móviles, el desarrollo de aplicaciones móviles (APPs) también ha ganado mucha popularidad debido a su conveniencia (4), (5).

En los últimos años, han surgido varios enfoques diferentes para monitorear el bienestar de un individuo. La combinación de datos de biosensores y datos de condiciones ambientales puede ser usada para identiﬁcar el bienestar de un individuo a través de técnicas de reconocimiento de patrones (6). En la web existen varias aplicaciones móviles para estimar el IUV, que tienen que ser validados para el lugar en estudio, como la desarrollada para la región Piura-Perú (7). Ananno y otros (3) desarrollaron una aplicación basado en el sensor luz ambiental del teléfono móvil para estimar IUV, basados en las propiedades del sensor de luz, mientras que Mei y otros (2) utilizan las propiedades de cámara del teléfono móvil para estimar el IUV; también Morelli y otros (8) desarrollan una aplicación móvil basada en datos satelitales para estimar el IUV, ellos para su evaluación de datos calculados realizan comparaciones con datos estimados en diferentes puntos geográﬁcos y un instrumento de medida portátil del IUV. Buller y otros (9) desarrollan una aplicación móvil para informar sobre los peligros de la sobre exposición a los niveles de IUV, Brinker y otros (10) desarrollan un aplicación de fotoenvejecimiento para prevenir la cáncer en la piel y Salvadori y otros (11) realizan la comparación de seis aplicaciones móviles para medir el IUV, llegando a la conclusión que son capaces de predecir con más del 70 % de precisión.

Nuestra investigación permite estimar el IUV in situ, en la región Puno, tomando como parámetros la ubicación geográﬁca, el número de día juliano y la hora actual.

II. Materiales y métodos

A. Cálculo de IUV

Para estimar la irradiancia directa espectral en el suelo consideramos la ecuación (1)

(1)

Donde Ionλ es la constante solar espectral a la distancia media Tierra Sol, Eo es el factor de corrección para la distancia Tierra-Sol, λ longitud de onda, τr(λ) transmitancia por la dispersión de Rayleigh, τa(λ) transmitancia espectral del aerosol atmosférico y τo(λ) transmitancia para el ozono (12), (13), los cuales se pueden estimar de la forma siguiente.

Transmitancia por la dispersión de Rayleigh se deﬁne como sigue:

(2)

con ma: masa de aire relativa a la presión actual.

Transmitancia espectral del aerosol atmosférico deﬁnido como sigue:

(3)

Donde β es el coeﬁciente de turbiedad atmosférica, α es valor estrechamente relacionado con el tamaño y forma de la distribución de las partículas.

Transmitancia para el ozono de la forma:

(4)

Donde: koλ es el coeﬁciente de atenuación para la absorción del ozono, mo es la masa de aire óptico relativa para el ozono y l es el espesor de capa de ozono (14).

Para estimar la irradiancia difusa espectral en el suelo se calcular con la ecuación (5)

(5)

Donde Idrλ es la irradiancia difusa espectral producida por la dispersión de Rayleigh, Idaλ es la irradiancia difusa espectral producida por los aerosoles y Idmλ es la irradiancia difusa espectral producido por múltiples reﬂexiones entre el suelo y la atmósfera (12), los cuales se calcular de la forma siguiente.

La irradiancia difusa espectral producida por la dispersión de Rayleigh

(6)

Donde θ𝑥, es el ángulo cenital del lugar.

La irradiancia difusa espectral pro ducida por los aerosoles se calcula por la ecuación (7)

(7)

Donde Fc se deﬁne como el cociente entre la energía dispersada en la dirección entrante y la energía dispersada total, wo es la dispersión simple del albedo.

La irradiancia difusa espectral producido por múltiples reﬂexiones entre el suelo y la atmósfera se estima mediante la ecuación (8).

(8)

Donde Qλ es la irradiación difusa resultante de múltiples reﬂexiones entre el suelo y la atmósfera, ρaλ es el albedo de la atmósfera y ρgλ albedo del suelo.

A partir de las ecuaciones (6), (7) y (8) se obtiene la ecuación (9) para estimar la irradiancia difusa espectral.

(9)

La irradiancia ultravioleta global espectral en una superﬁcie horizontal lo calculamos por medio de la ecuación (10)

(10)

El IUV es formulado utilizando el espectro de acción eritemática inducido por la radiación ultravioleta sobre la piel humana, formulada por la Comisión Internacional de Iluminación (CIE).

(11)

Donde ker es una constante igual a 40 m2/W y ε(λ) es coeﬁciente de acción eritemática cuyo valores vienen dados por la ecuación (12) propuestos por Madronich y Flocke (15).

(12)

B. Descripción del modelo TUV

Para los pronósticos del IUV se utiliza el modelo de Transferencia Radiativa versión 4.4 Tropospheric Ultraviolet and Visible Radiation Model (TUV) desarrollado por el Dr. Sasha Madronich en la División de Química Atmosférica del Centro Nacional para la Investigación Atmosférica (NCAR) en Boulder, Colorado. Este modelo calcula la radiación solar de onda corta en la atmósfera de la Tierra y permite evaluar las contribuciones relativas de los componentes atmosféricos y pronosticar el IUV en condiciones de cielo despejado y en condiciones de cielo nublado. El modelo TUV permite realizar cálculos en el rango de longitudes de onda entre 100 nm y 1000 nm para el cálculo de: irradiancias espectrales y la integrada, el ﬂujo espectral, el factor de ampliﬁcación de radiación (RAF), coeﬁcientes de tasa de fotolisis y la irradiancia efectiva biológicamente (dosis eritemática) (16).

C. La implementación de la aplicación móvil

La implementación de la aplicación móvil se desarrolla mediante la metodología de desarrollo de aplicaciones móviles, el cual se muestra en el trabajo de Mantilla, Ariza y Delgado (17) donde se consideran cinco pasos a seguir, los cuales son: Análisis de requerimientos, Diseño, Desarrollo, prueba de funcionamiento y entrega de producto.

D. Estadístico de evaluación

Se utilizaron el error medio (MBE), llamado también sesgo o desviación, coeﬁciente de determinación (R2) y el coeﬁciente de correlación (r) para medir la relación lineal entre los valores medidos por la aplicación móvil con respectos a los obtenidos por el modelo TUV (18).

Están dados por las siguientes ecuaciones:

(13)

(14)

(15)

Donde: Imi es el dato medido por la aplicación móvil, Iti es el dato obtenido por el modelo TUV, Imi es el promedio de los datos medidos por la aplicación móvil, Iti es el promedio de los datos obtenidos por el modelo TUV y n es el número total de observaciones (19).

III. Resultados y discusiones

El desarrollo de la aplicación móvil consistió en seguir los cinco pasos de la metodología de desarrollo de aplicaciones móviles, obteniendo el diagrama de caso de uso que se muestra en la Figura 1, en el cual se muestra la secuencia de las acciones que puede realizar la aplicación como principal función calcular el IUV, cuyo actor principal es el usuario.

Figura 1.
Diagrama de caso de uso

Se ha deﬁnido la estructura, escenario y la asignación de requerimientos de la aplicación que se observa en forma global la solución del diseño en la Figura 2. La solución propuesta permite que el móvil adquiera datos de la ubicación geográﬁca, el tiempo y número juliano que permita calcular el IUV. A continuación, se muestra un esquema de la estructura.

Para el diseño de interfaces gráﬁcas se tomó los siguientes tres puntos fundamentales. Estética Visual, Comodidad de uso e independencia del dispositivo los cuales se muestran en la Figura 3, se muestra la pantalla principal en el cual se calcula el IUV, luego la predicción del IUV para un día considerando intervalos de una hora, la ubicación donde se están realizando los cálculos y las respetivas recomendaciones de protección.

Figura 2.
Estructura del diseño

Figura 3.
Interfaz del aplicativo móvil en Android Studio

Se ha codiﬁcado el algoritmo basado en los modelos matemáticos cuyo diagrama de ﬂujo se muestra en la Figura 4, se estableciendo un código fuente en Android Studio. El cual se desarrolló en forma modular utilizando las funciones y librerías que nos permiten obtener datos del GPS, el tiempo, número juliano del día y lugar donde se encuentra el teléfono móvil.

Figura 4
Diagrama de ﬂujo del algoritmo

Para la validación de los valores calculados por el teléfono móvil, se considera valores estimados por el modelo TUV, para siete fechas en los cuales se presenta cielos despejados especíﬁcamente de los días 10 de enero, 10 de febrero, 10 y 23 de abril, 10 de setiembre, 10 y 23 de octubre del 2018. Donde los valores IUV fueron calculados en intervalos de una hora considerando trece valores por día. En la Tabla 1 se muestra los coeﬁcientes de correlación de la comparación entre los valores estimados por el móvil y el modelo TUV, donde se presenta un coeﬁciente de correlación mayor a 0.98 y un error medio máximo de 0.799 para la fecha 23 de octubre del 2018. Lo cual nos indica que es posible estimar valores de IUV por medio de la aplicación móvil con una conﬁabilidad del 98 % para cielos despejados lo cual está de acuerdo a los resultados de Salvadori y otros (11).

En la Figura 4, se muestran un excelente grado de asociación entre los valores calculados por el móvil y los obtenidos por el modelo TUV, para cada hora del día, considerando el intervalo de 6:00 am a 6:00 pm con un total de 12 horas. Los valores calculados por el modelo TUV y los Calculados por el móvil forman dos curvas típicas del ciclo de insolación solar para días con cielo despejados, donde los valores máximos corresponden a las horas cercanas al medio día solar y los valores mínimos a los extremos del intervalo de tiempo.

Tabla 1.

Estadísticos de evaluación de valores medidos por móvil y modelo TUV

Fechas | MBE | R2 | r
10-01-18 | 0.545 | 0.990 | 0.995
10-02-18 | 0.826 | 0.981 | 0.990
10-04-18 | 0.276 | 0.996 | 0.998
23-04-18 | 0.247 | 0.996 | 0.998
10-09-18 | 0.347 | 0.993 | 0.996
10-10-18 | 0.687 | 0.982 | 0.991
23-10-18 | 0.799 | 0.977 | 0.988

En la Figura 5 se muestran valores estimados del IUV que superan el valor de 8 los cuales se considera muy alto según la OMS. Por tanto, se sugiere tomar precauciones de protección en las horas de 10:00 am a 13:30.

Figura 5.
Comparación entre los valores calculados por el móvil y el modelo TUV para el 10 de septiembre del 2018

IV. Conclusiones

Se logró desarrollar y evaluar una aplicación móvil que permite calcular valores IUV con una conﬁabilidad del 98 % para la región de Puno, en función a los parámetros de latitud, hora y número de día juliano obtenidos por el teléfono móvil.

Se desarrolló la aplicación móvil aplicando la metodología de desarrollo de aplicaciones móviles lográndose implementar el algoritmo teórico en lenguaje Java y su implementación en Android Studio.

Se validaron los datos calculados por la aplicación móvil comparando con valores calculados por el modelo TUV por medio de coeﬁciente de correlación obteniendo valores mayores a 0.98, con lo cual se conﬁrma la conﬁabilidad de lo estimado, para cielos despejados.

Referencias

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