instituto politÉcnico nacional€¦ · escuela superior de ingenierÍa mecÁnica y elÉctrica...
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA
MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD PROFESIONAL “ADOLFO LOPEZ MATEOS”
SISTEMA AUTOMÁTICO DE
MONITOREO REMOTO DE VARIABLES METEOROLÓGICAS
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:
INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
PRESENTA:
CARLOS ALBERTO RODRÍGUEZ MEJÍA
ASESORES
M.C. JUAN CARLOS IGLESIAS ROJAS DR. ABEL QUEVEDO NOLASCO
MÉXICO D.F. MAYO 2013
ii
RESUMEN
El presente proyecto de tesis titulado “Sistema Automático de Monitoreo Remoto de
Variables Meteorológicas” consiste en determinar variables meteorológicas por medio de
sensores electrónicos, para lo cual, se diseñó un Sistema de Adquisición de Datos con
telemetría basado en microcontroladores PIC como centro de procesamiento, este a su vez,
procesa y envía los datos hacia un computador inalámbricamente, que a través de una
Interfaz Gráfica (HMI) presenta los datos al usuario, este sistema tiene la capacidad de
mostrar en tiempo real la evolución de dichas variables y almacenarlas en un archivo.
Además se creó una base de datos la cual guarda estos para un futuro uso de ellos. La
Estación Meteorológica Automática, se alimenta con energía fotovoltaica con una
autonomía de 4 días en caso de no haber energía solar.
La Estación Meteorológica Automática es capaz de realizar mediciones de: temperatura
ambiente, humedad relativa, presión atmosférica, radiación solar, precipitación pluvial,
velocidad y dirección del viento incluso en condiciones climáticas extremas. La
verificación de los sensores se realizó comparando las mediciones con instrumentos patrón
y las mediciones tomadas por la estación agrometeorológica del Colegio de Postgraduados
Campus Montecillo, Texcoco, Estado de México.
Palabras clave: temperatura ambiente, humedad relativa, presión, radiación, precipitación,
velocidad del viento, dirección del viento, telemetría, comunicación inalámbrica,
electrónica, microcontrolador, energía solar,
iii
DEDICATORIA
Dedico esta tesis
A mis padres
A las personas que más quiero, respeto y admiro
por el hecho de procrearme y luchar incansablemente
ante las adversidades de la vida.
Catarino Rodríguez Martínez y Bertha Mejía Soto
A mi hermana
Viridiana Rodríguez Mejía, por su apoyo incondicional
y cariño desinteresado.
A mis tíos
Quienes contribuyeron, para afrontar de manera
eficiente todos mis triunfos con prudencia y
vicisitudes con firmeza.
A mis primos
Por su apoyo incondicional y creer en mí.
A mis amigos
David Reyes Muñoz, Carlos Flores Hernández, Marco Antonio Deheza Meraz
por la amistad y el apoyo mutuo que siempre hemos tenido
A mis compañeros
Al creador Dios por darme la oportunidad de vivir
a plenitud con alegrías y tristezas junto a todas
las personas que han participado directa
o indirectamente en mi desarrollo
profesional.
iv
AGRADECIMIENTOS
Al M. en C. Juan Carlos Iglesias Rojas, por su dirección, persistencia y apoyo,
que ha sido parte fundamental para el desarrollo del presente trabajo, por ser un excelente
maestro.
Al Dr. Abel Quevedo Nolasco, por su dirección, acertados comentarios,
sugerencias y orientaciones que contribuyeron, a mejorar y concluir el presente trabajo.
Al M. en C. Pedro Ríos González, por sus importantes aportaciones, comentarios
y su valiosa colaboración, en la realización del presente trabajo.
Al Dr. José Juan Martínez, por su apoyo en la realización del presente trabajo.
Al Dr. Roberto Baca Arroyo, por su colaboración, aportaciones, orientaciones y
revisión que permitieron concluir con el trabajo de tesis.
Al Ing. Mauricio Dario Sánchez Ramo, por su disposición, interés y empeño en la
revisión de mi trabajo.
Al Sr. Narciso Torres Estrada, por su apoyo incondicional y amistad.
Al Colegio de postgraduados campus montecillo, por haberme dado la
oportunidad de realizar las pruebas del presente trabajo.
v
ÍNDICE
RESUMEN ............................................................................................................................. ii
DEDICATORIA .................................................................................................................... iii
AGRADECIMIENTOS ......................................................................................................... iv
ÍNDICE ................................................................................................................................... v
ÍNDICE DE FIGURAS .......................................................................................................... x
ÍNDICE DE TABLAS ......................................................................................................... xiii
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS. .............................................................. 1
CAPITULO 2. REVISIÓN DE LITERATURA. ................................................................... 3
2.1 Marco de referencia sobre la revisión de literatura ...................................................... 3
2.2 Meteorología y tiempo atmosférico .............................................................................. 4
2.3 Elemento Meteorológico .............................................................................................. 4
2.3.1 Temperatura ........................................................................................................... 4
2.3.2 Presión Atmosférica .............................................................................................. 4
2.3.3 Humedad Relativa ................................................................................................. 5
2.3.4 Viento .................................................................................................................... 5
2.3.5 Precipitación .......................................................................................................... 5
2.3.6 Radiación solar ...................................................................................................... 6
2.4 Estación meteorológica ................................................................................................ 6
2.5 Red de estaciones meteorológicas ............................................................................... 7
2.6 Estación meteorológica automática (EMA) ................................................................. 7
2.7 Componentes funcionales de las EMAs ....................................................................... 8
2.8 Evolución de las estaciones automáticas ..................................................................... 9
2.9 Evolución de las estaciones meteorológicas en México ............................................. 11
2.10 Fuentes de información meteorológica..................................................................... 12
vi
2.11 Instituciones que recopilan información climatológica ............................................ 16
2.11.1 Gerencia de Aguas Superficiales e información de Ríos (GASIR) ................... 16
2.11.2 Comisión Federal de Electricidad (CFE) .......................................................... 16
2.11.3 Servicios a la Navegación en el Espacio Aéreo Mexicano (SENEAM) ........... 17
2.11.4 Secretaría de la Defensa Nacional (SEDENA) ................................................. 17
2.11.5 Gobierno del Distrito Federal ........................................................................... 17
2.11.6 Otras instituciones ............................................................................................. 18
2.12 Sistema de control .................................................................................................... 18
2.13 Señal eléctrica y medición ........................................................................................ 19
2.14 El Transductor .......................................................................................................... 21
2.15 El sensor su calibración y acondicionamiento .......................................................... 21
2.16 Sensores inteligentes ................................................................................................ 23
2.17 El microcontrolador .................................................................................................. 24
2.18 Comunicación electrónica ........................................................................................ 25
2.19 Codificación del mensaje.......................................................................................... 27
2.20 Interfaces de comunicación ...................................................................................... 28
2.21 Protocolos de comunicación ..................................................................................... 29
2.22 Ruido ........................................................................................................................ 31
2.23 Telemetría ................................................................................................................ 32
2.24 Energía solar fotovoltaica ......................................................................................... 34
2.25 Convertidores cd-cd. ................................................................................................. 37
2.26 Reguladores reductores. ........................................................................................... 38
2.27 Resumen ................................................................................................................... 39
CAPÍTULO 3. DISEÑO E IMPLEMENTACION .............................................................. 40
3.1 Marco de referencia sobre materiales y métodos ....................................................... 40
vii
3.2 Ubicación del sitio de prueba ..................................................................................... 40
3.3 El microcontrolador 18F4553 ..................................................................................... 41
3.4 Selección de sensores ................................................................................................ 43
3.4.1 Sensor de temperatura ......................................................................................... 43
3.4.2 Sensor de humedad relativa ................................................................................. 44
3.4.3 Sensor de presión atmosférica ............................................................................. 44
3.4.4 Sensor de velocidad del viento (Anemómetro) ................................................... 46
3.4.5 Sensor de dirección del viento ............................................................................. 46
3.4.6 Sensor de radiación .............................................................................................. 46
3.4.7 Pluviómetro ......................................................................................................... 46
3.5 Materiales del diseño de los componentes ................................................................. 47
3.6 Diseño del PCB (circuitos impresos) ......................................................................... 47
3.7 Módulo fotovoltaico ................................................................................................... 52
3.8 Batería ......................................................................................................................... 56
3.9 Controlador de carga .................................................................................................. 56
3.10 Comunicación via radio Xtend RF Module .............................................................. 58
3.11 Software utilizado ..................................................................................................... 63
3.11.1 Proteus VSM. .................................................................................................... 63
3.11.2 Software ISIS. .................................................................................................... 64
3.11.3 Compilador C de CCS. ...................................................................................... 65
3.11.4 Software LabVIEW. .......................................................................................... 67
3.11.5 Software Master-Prog ........................................................................................ 69
3.11.6 PCWD IDE Compiler ........................................................................................ 70
3.12 Resumen ................................................................................................................... 70
CAPÍTULO 4. RESULTADOS ........................................................................................... 70
viii
4.1 Caracterización del microcontrolador ........................................................................ 71
4.2 Consideraciones sobre la calibración de los sensores meteorológicos ....................... 72
4.2.1 Sensor de temperatura ......................................................................................... 73
4.2.2 Sensor de humedad relativa ................................................................................. 74
4.2.3 Sensor de presión atmosférica ............................................................................. 76
4.2.4 Sensor de velocidad del viento (Anemómetro) ................................................... 79
4.2.5 Sensor de dirección del viento ............................................................................. 80
4.2.6 Sensor de radiación .............................................................................................. 81
4.2.7 Pluviómetro ......................................................................................................... 82
4.3 Diseño de la fuente digital de energía ........................................................................ 85
4.4 Consumo promedio de los dispositivos electrónicos .................................................. 87
4.5 Diseño del subsistema de alimentación solar autónomo ............................................ 87
4.7 Diseño y desarrollo de la estación meteorológica automática (EMA) ....................... 89
4.7.1 Alimentación solar autónoma .............................................................................. 90
4.7.2 Adquisición de datos ........................................................................................... 91
4.7.2.1 Conversores análogos digitales ....................................................................... 91
4.7.2.2 Pruebas de la transmisión serial ....................................................................... 93
4.7.2.3 Prueba del Hardware ........................................................................................ 94
4.7.2.4 Prueba del software .......................................................................................... 95
4.7.3 Envío y recepción de datos .................................................................................. 97
4.7.3.1 Pruebas de recepción de datos vía radio frecuencia (RF) ................................. 97
4.7.4 Interface Máquina-Humano (HMI)- Visualización ............................................. 99
4.7.5 Almacenamiento de datos ................................................................................. 101
4.8 Evaluación de los sensores ....................................................................................... 103
4.8.1 Sensor de temperatura ....................................................................................... 103
ix
4.8.2 Sensor de humedad relativa .............................................................................. 106
4.8.3 Sensor de la presión atmosférica (barómetro) ................................................... 110
4.8.4 Pluviómetro ....................................................................................................... 112
4.8.5 Piranómetro ....................................................................................................... 113
4.8.6 Anemómetro ...................................................................................................... 118
4.9 Desarrollo del software. ............................................................................................ 122
4.9.1 Programación del microcontrolador (PIC) ........................................................ 122
4.9.2 Diseño de la interface de visualización de variables en LabVIEW ................... 124
4.10 Evaluación económica ............................................................................................ 130
4.11 Análisis económico ................................................................................................ 133
CAPÍTULO V. CONCLUSIONES. ................................................................................... 135
5.1 Conclusiones ............................................................................................................. 135
5.2 Trabajo futuro ........................................................................................................... 137
REFERENCIAS ................................................................................................................. 138
ANEXOS ............................................................................................................................ 142
x
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Configuración típica de una estación meteorológica automática [6].------------------------------------ 8
Figura 2. Estructura general de un sistema de adquisición---------------------------------------------------------- 19
Figura 3. Modelo simple para medir un proceso físico [17]. -------------------------------------------------------- 20
Figura 4. Modelo de medición con amplificador, convertidor analógico a digital y equipo de salida [17]. - 20
Figura 5. Señal senoidal y su versión digital.-------------------------------------------------------------------------- 22
Figura 6. Principales campos de aplicación de los microcontroladores. ------------------------------------------ 25
Figura 7. Componentes en la transmisión de un mensaje. ----------------------------------------------------------- 26
Figura 8. Señal digital modulada en amplitud (ASK). ---------------------------------------------------------------- 27
Figura 9. Estructura de un dato dentro de la interfaz RS232. ------------------------------------------------------- 29
Figura 10. Estructura general de un sistema de telemetría. --------------------------------------------------------- 33
Figura 11. Zona de Fresnel. --------------------------------------------------------------------------------------------- 34
Figura 12. Célula solar fotovoltaica de silicio cristalino [33]. ----------------------------------------------------- 36
Figura 13. Diferentes células de colores de silicio monocristalino [34]. ------------------------------------------ 36
Figura 14. Módulo solar fotovoltaico. ---------------------------------------------------------------------------------- 37
Figura 15. Elementos de reguladores en modo de conmutación [35]. --------------------------------------------- 38
Figura 16. Modos de operación de un transistor bipolar en una fuente conmutada de bajada [35]. ---------- 39
Figura 17. Lugar de experimentación. ---------------------------------------------------------------------------------- 41
Figura 18. Diagrama principal de procesos. -------------------------------------------------------------------------- 41
Figura 19. Diagrama de flujo de la estación meteorológica. -------------------------------------------------------- 42
Figura 20. Conexión del LM135. ---------------------------------------------------------------------------------------- 43
Figura 21. Estructura interna del sensor de humedad 1. ------------------------------------------------------------- 44
Figura 22. Construcción interna del sensor. --------------------------------------------------------------------------- 45
Figura 23. Diseño esquemático del circuito. -------------------------------------------------------------------------- 49
Figura 24. Diseño del PCB. ---------------------------------------------------------------------------------------------- 51
Figura 25. Terminación de la PCB. ------------------------------------------------------------------------------------- 52
Figura 26. Panel solar fotovoltaico MSX-20 de Solarex. ------------------------------------------------------------ 53
Figura 27. Vista frontal del panel solar, dimensiones [milímetros/ pulgadas]. ----------------------------------- 54
Figura 28. Características V-I del panel solar fotovoltaico. -------------------------------------------------------- 54
Figura 29. Curva característica entre la Intensidad de cortocircuito y la tensión de circuito abierto. -------- 55
Figura 30. La batería. ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 56
Figura 31. Controlador de carga. --------------------------------------------------------------------------------------- 57
Figura 32. Conexión del sistema solar fotovoltaico. ------------------------------------------------------------------ 58
Figura 33. Xtend RF Module (con RPSMA) Conector (izquierda) y Xtend RF Module (con MMCX) Conector
(derecha). ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 59
Figura 34. Diagrama a bloques del sistema de comunicación. ----------------------------------------------------- 60
xi
Figura 35. Modos de operación del Módulo XTend RF. ------------------------------------------------------------- 61
Figura 36. Proceso de simulación del diseño electrónico por medio de Proteus. -------------------------------- 64
Figura 37. Proceso de diseño electrónico por medio de Proteus VSM. -------------------------------------------- 64
Figura 38. Entorno de trabajo del programa ISIS. ------------------------------------------------------------------- 65
Figura 39. Entorno de trabajo del programa ARES. ----------------------------------------------------------------- 65
Figura 40. Estructura básica de un programa en editor de CSS. --------------------------------------------------- 67
Figura 41. Panel Frontal de LabVIEW. -------------------------------------------------------------------------------- 68
Figura 42. Diagrama de bloques del panel de código de LabVIEW. ----------------------------------------------- 69
Figura 43. Prueba de detección del microcontrolador, por medio de Master-Prog. ----------------------------- 69
Figura 44. Encapsulamiento y pines del microcontrolador. --------------------------------------------------------- 72
Figura 45. Circuito filtro de desacoplamiento. ------------------------------------------------------------------------ 78
Figura 46. Prueba del anemómetro. ------------------------------------------------------------------------------------ 79
Figura 47. Anemómetro y su respuesta en el osciloscopio. ---------------------------------------------------------- 79
Figura 48. Diagrama de conexiones del sensor de dirección del viento. ------------------------------------------ 80
Figura 49. Dirección del viento en función del tiempo. -------------------------------------------------------------- 81
Figura 50. Diagrama del sensor SP-215 de APOGEE. -------------------------------------------------------------- 81
Figura 51. Diagrama eléctrico del pluviómetro. ---------------------------------------------------------------------- 82
Figura 52. Volumen unitario, registro de un volcamiento. ----------------------------------------------------------- 83
Figura 53. Diámetro del pluviómetro. ---------------------------------------------------------------------------------- 83
Figura. 54.Eliminación de rebotes generados por el pluviómetro. ------------------------------------------------- 84
Figura. 55. Fuente conmutada de energía. ----------------------------------------------------------------------------- 86
Figura 56. Pruebas de la alimentación solar autónoma desarrollada.--------------------------------------------- 91
Figura 57. Cadena de datos recibida en Hyperterminal. ------------------------------------------------------------ 94
Figura 58. Cadena de datos recibida en LabVIEW. ------------------------------------------------------------------ 96
Figura 59. Cadena de datos en Hyperterminal, en diferente tiempo. ----------------------------------------------- 96
Figura 60. Página de datos, archivo “prueba1.txt”. ----------------------------------------------------------------- 97
Figura 61. Distancia máxima para la comunicación entre las antenas (sobre maps de Google Earth). ------ 99
Figura 62. Captura de datos desde LabVIEW. ----------------------------------------------------------------------- 100
Figura 63. Información de la estación meteorológica dentro de la base de datos. ------------------------------ 101
Figura 64. Almacenamiento de datos en MySQL. ------------------------------------------------------------------- 102
Figura 65. Relación entre las temperaturas del sensor (LM135H) y del bulbo seco del Psicrómetro. ------- 104
Figura 66. Relación entre las temperaturas del sensor de la estación Campbell y el Psicrómetro. ----------- 105
Figura 67. Psicrómetro ventilado tipo Assman. --------------------------------------------------------------------- 105
Figura 68. Relación entre la humedad relativa del sensor y el psicrómetro tipo Assman. --------------------- 108
Figura 69. Relación entre el sensor de humedad de la estación Campbell Scientific y el de referencia. ----- 110
Figura 70. Barómetro tipo Fortín. ------------------------------------------------------------------------------------- 111
Figura 71. Relación entre el sensor de presión y el barómetro de Fortín. ---------------------------------------- 111
Figura 72. Actinógrafo tipo Robitzsch. -------------------------------------------------------------------------------- 114
xii
Figura 73. Datos registrados por el actinógrafo Robitzsch. -------------------------------------------------------- 115
Figura 74. Datos calcados en una hoja blanca. ---------------------------------------------------------------------- 115
Figura 75. Hoja calcada recortada. ----------------------------------------------------------------------------------- 116
Figura76. Muestras de la lectura. -------------------------------------------------------------------------------------- 116
Figura 77. Integrador de área foliar LI – 3100 C. ------------------------------------------------------------------- 116
Figura 78. Relación entre el Piranómetro y el actinógrafo. -------------------------------------------------------- 117
Figura 79. Conversión de temperatura. ------------------------------------------------------------------------------ 122
Figura 80. Conversión de humedad del aire. ------------------------------------------------------------------------- 122
Figura 81. Conversión de la dirección del viento. ------------------------------------------------------------------- 123
Figura 82. Conversión de la radiación. ------------------------------------------------------------------------------- 123
Figura 83. Conversión de la presión. ---------------------------------------------------------------------------------- 123
Figura 84. Conversión de la lámina de precipitación. -------------------------------------------------------------- 123
Figura 85. Bucle para la velocidad del viento. ----------------------------------------------------------------------- 124
Figura 86. Conexiones para habilitar el puerto serial. -------------------------------------------------------------- 125
Figura 87. Estructura Case y las funciones Empty String y Not. --------------------------------------------------- 125
Figura 88. Estructura de conversión de información (String a valor decimal). ---------------------------------- 126
Figura 89. Funciones de reloj, calendario de LabView (Get Date/Time y Get Date/Time String). ----------- 126
Figura 90. Integración de funciones para el manejo de los datos (Build String, Case Structure, Write To
Spreadsheet). -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 127
Figura 91. Integración de funciones (Quotient & Remainder y Equal To 0) en un ciclo (bucle) y las
estructuras de opciones (Case structure). ----------------------------------------------------------------------------- 128
Figura 92. Diagrama general gráfico del monitoreo de datos. ---------------------------------------------------- 129
xiii
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Evaluación del consumo de energía promedio. ------------------------------------------------------------- 87
Tabla 2. Dimensionamiento del sistema autónomo en función de la energía. ------------------------------------- 88
Tabla 3. Valores medidos con el multímetro en la fuente conmutada. --------------------------------------------- 90
Tabla 4. Temperaturas del sensor electrónico, Campbell scientific y de referencia 3. -------------------------- 105
Tabla 5. Datos del psicrómetro del día 10 de agosto al 13 de agosto de 2012 4. -------------------------------- 108
Tabla 6. Datos de la presión del día 29 de agosto al 30 de agosto de 2012. ------------------------------------- 110
Tabla 7. Registro de volumen, conteo de cambio del balancín para obtener la lámina mínima detectable. - 112
Tabla 8. Registro de la precipitación del día 29 de agosto de 2012. ---------------------------------------------- 112
Tabla 9. Conversión de las áreas a energía solar recibida del actinógrafo y radiación solar del sensor SP-
212 5. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 117
Tabla 10. Dirección y velocidad del viento del Datalogger y la estación comercial y el análisis vectorial (31
de agosto de 2012). ------------------------------------------------------------------------------------------------------- 119
Tabla 11. Determinación del cuadrante de vector resultante 6. ---------------------------------------------------- 121
Tabla 12. Resumen de los costos por servicios profesionales (salarios). ----------------------------------------- 130
Tabla 13. Estimación de costos del desarrollo del sistema de adquisición de datos remoto. ------------------ 131
Tabla 14. Resumen de costos por concepto. -------------------------------------------------------------------------- 133
Tabla 15. Cuadro comparativo entre la Estación Diseñada y Campbell Scientific 7. --------------------------- 133
1
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS.
El hombre y los demás seres vivos habitan sumergidos en ese gran océano que se
denomina atmósfera, particularmente en la parte llamada biosfera. Por esta razón, el clima y el
tiempo atmosférico son dos de los factores principales que intervienen en las funciones del
hombre, tanto biológicas como sociales y económicas.
Aunque el hombre ha aprendido a modificar el medio en que vive y se desarrolla, el clima
limita los sistemas creados por él, desde los agrícolas y ganaderos hasta los de transporte,
pasando por los de vivienda y bienestar social. Debido a esto, el estudio del clima y el tiempo
atmosférico son de suma utilidad para el desarrollo de las actividades humanas.
La información climática es importante en la vida del hombre porque ayuda a planear no
solamente la productividad agrícola, sino también todo lo relacionado con sus actividades,
desde las más elementales como la comida, hasta las más complejas como el esparcimiento. A
partir de esta información, en una región determinada, es más fácil definir el tipo de cultivos
adecuados y cuáles de éstos tendrán una mejor producción o simplemente qué lugar es más
acogedor, climáticamente hablando.
El diseño de estaciones meteorológicas que pueden suministrar datos precisos de parámetros
que afectan al planeta se ha convertido en una herramienta para estudiar la evolución del
calentamiento global en la Tierra.
2
Los avances tecnológicos han permitido fabricar sensores electrónicos de dimensiones
reducidas, bajo costo y alta fiabilidad capaces de medir estos parámetros medioambientales de
forma precisa. En la actualidad la tendencia mundial en todos los campos, es la
automatización de procesos ya que esto conlleva a tener datos más exactos, confiables y que
además son fácilmente manejables. En México no existe un diseñador de estaciones
meteorológicas automáticas hasta el momento, solo empresas que se dedican a comercializar
equipos extranjeros, que son muy costosos. En el presente trabajo se pretende aumentar el
impulso hacia el sector meteorológico ya que está muy descuidado, además, tener el desarrollo
en nuestro país, que sea competitivo de acuerdo a los estándares internacionales y a un precio
accesible para todos.
En el presente proyecto los pilares fundamentales son la adquisición, envío y almacenado de
información.
Objetivo
General
Realizar el diseño y la implementación de una Estación Meteorológica Automática,
obtener información meteorológica a través de sensores en tiempo real con el fin de obtener
una base de datos que nos permita llevar un registro del estado del tiempo en el lugar de
ubicación, sustituir una estación meteorológica automática comercial.
Objetivos específicos
Analizar los principios de funcionamiento de los sensores de temperatura
ambiente, humedad relativa, presión atmosférica, radiación solar, precipitación
de lluvia, velocidad y dirección del viento.
Comparación de sensores con instrumentos patrón.
3
Realizar el acondicionamiento de las señales de cada uno de los sensores a
utilizar para obtener una información veraz y oportuna.
Diseñar e implementar el Sistema de Adquisición de Datos y Control para
recolección y envió de datos.
Diseñar e implementar los Subsistemas de Sensores de temperatura, humedad,
presión, velocidad y dirección del viento etc.
Diseñar e implementar el Subsistema de Alimentación Solar Autónomo con la
utilización de un panel solar, controlador de carga y baterías.
Desarrollar el software del microcontrolador cuya función básica es el control
de todos los subsistemas y la adquisición de datos.
Implementar el software para analizar los datos recibidos y crear una base de
datos que respalde y justifique la consecución de nuevas obras en beneficio de
la colectividad.
Implementar una estación meteorológica automática cuyas variables puedan ser
observadas a distancia y en tiempo real.
Realizar pruebas de campo y analizar los resultados obtenidos.
CAPITULO 2. REVISIÓN DE LITERATURA.
2.1 Marco de referencia sobre la revisión de literatura
El presente capítulo se integra en dos partes, en la primera se hace una descripción
sobre conceptos básicos sobre la meteorología, las estaciones meteorológicas, estaciones
automáticas, la red de estaciones, y sobre la importancia del diseño y desarrollo de una
estación meteorológica automática. Para ello, en la segunda parte se describe todo lo
relacionado con los conceptos necesarios sobre la adquisición, distribución de señales, energía
fotovoltaica, sobre los convertidores CD-CD, y lo relacionado con la electrónica que
contribuyen en el desarrollo del presente trabajo.
4
2.2 Meteorología y tiempo atmosférico
El término meteorología viene de la palabra griega meteoros “alto en el cielo”, que
estudia la atmosfera y sus fenómenos. Cuando hablamos sobre el tiempo, se habla sobre la
condición de la atmosfera en algún momento en particular y lugar que siempre está en
constante cambio. Se utiliza parámetros como la temperatura, humedad, presión atmosférica,
viento, precipitación, actúales y previos con el objetivo de predecir el tiempo atmosférico a 24
o 48 horas, y así se elabora un pronóstico del tiempo a mediano plazo [1] [2] [3].
2.3 Elemento Meteorológico
Es una variable atmosférica o fenómeno (temperatura del aire, presión, viento,
humedad, tormentas, nieblas, ciclones o anticiclones, etc.) que caracteriza el estado del tiempo
en un lugar específico y en un tiempo dado. A continuación se describen algunos de ellos [4].
2.3.1 Temperatura
Es la condición que determina la dirección del flujo neto de calor entre dos cuerpos [3]
[4], que expresa el grado de calentamiento o enfriamiento de los cuerpos. Describe un estado
y es una variable un poco inusual, dado que no puede ser directamente derivada de variables
tangibles tales como masa o longitud. Para el caso de un gas la temperatura es directamente
proporcional al promedio de energía cinética de sus moléculas.
2.3.2 Presión Atmosférica
5
Es la fuerza que se ejerce por unidad de superficie como resultado del peso de la
atmósfera por encima del punto de medición, es decir es el peso de la columna vertical de aire
sobre la unidad de superficie [3] [4].
2.3.3 Humedad Relativa
Es la cantidad de vapor de agua que contiene una masa de aire con relación con el
máximo vapor de agua que puede contener un volumen de aire, sin producirse condensación al
conservar las mismas condiciones de temperatura y presión atmosférica. La OMM la define
como: “la razón expresada en porcentaje, entre la presión de vapor observada y la tensión del
vapor saturante con respecto al agua a la misma temperatura y presión” [3] [4].
2.3.4 Viento
En una forma simple se denomina como el movimiento del aire, pero para cuestiones
meteorológicas se considera como una cantidad vectorial, que se integra por su magnitud y su
dirección, que se representa por su velocidad y dirección respectivamente en un tiempo dado
[3] [4]. La unidad estándar para la dirección del viento se da en grados dextrórsum (es decir en
sentido de las agujas del reloj) a partir del norte. Su escala es 0-36, o 0-360, donde para 36 ó
360 es viento proviene del Norte y 09 o 90 cuando proviene el viento del Este. Las unidades
del viento pueden ser en ms-1, kmh-1, u otra que relacione la distancia entre el tiempo.
2.3.5 Precipitación
Se define como el producto líquido o sólido de la condensación del vapor de agua que
cae de las nubes o el aire y se deposita en el suelo [3] [4], que también se puede ser líquida
6
(lluvia) o solida (granizo). En otras latitudes se presenta como nieve, escarcha, precipitación
de la neblina y rocío.
2.3.6 Radiación solar
Es la energía que proviene del sol que recibe la tierra; una parte penetra la atmósfera
mientras que otra es dispersada y/o absorbida por las moléculas gaseosas partículas de
aerosoles y las gotas de agua o cristales de hielo presentes en las nubes. La radiación difusa al
llegar al suelo después de su primer pasó a través de la atmósfera conjuntamente con la
radiación directa, que en parte es reflejada por el suelo. Esta radiación es reflejada por el suelo
hacia el espacio, posteriormente, es parcialmente reflejada nuevamente hacia el suelo por la
atmósfera, este proceso continúa indefinidamente. La radiación global es la suma de la
radiación directa y la radiación difusa [3] [4].
2.4 Estación meteorológica
Es un sitio donde se hacen las observaciones del comportamiento de la atmósfera y el
medio ambiente, por medio de observaciones y mediciones de elementos meteorológicos:
temperatura del aire y del suelo, humedad del aire, viento, radiación solar, presión
atmosférica, tipo de nubes, evaporación y precipitación. La Organización Meteorológica
Mundial (OMM) recomienda que se instalen en sitios representativos de las condiciones del
clima y del suelo, con ningún obstáculo (árboles, edificios, torres) que proyecten sombras
sobre los instrumentos o que impidan la libre circulación del aire. El terreno debe estar
cubierto de césped corto y debe ser plano y nivelado, de lo contrario podrían producirse
inundaciones o dificultar el acceso al mismo.
La OMM clasifica a las estaciones meteorológicas con diferentes criterios como:
A) Según su finalidad:
Sinóptica
7
Climatológica
Agrícolas
Especiales
Aeronáuticas
Satelitales
B) De acuerdo a la magnitud de las observaciones:
Principales
Ordinarias
Auxiliares
C) Por el nivel de observación:
Superficie
Altitud
D) Según el lugar de observación:
Terrestre
Aéreas
Marítimas
2.5 Red de estaciones meteorológicas
Es el conjunto de estaciones de observación, medición y registro de los diferentes
fenómenos atmosféricos, convenientemente distribuidas, útil para determinar el tiempo y el
clima de una región agrícola [5]. O bien para otro fin como puede ser de seguridad,
seguimiento a fenómenos adversos, a diferentes escalas de observación, regional, estatal,
nacional o mundial.
2.6 Estación meteorológica automática (EMA)
Los adelantos tecnológicos recientes en sensores y controles han promovido mejores
sistemas para monitorear en forma más precisa y casi continua, sobre las condiciones del
8
tiempo atmosférico. Resulta de vital importancia en diferentes usos p.e, en la agricultura, en el
sector turístico, ingeniería civil, para el pronóstico de eventos extremos, inundaciones,
factores de riesgo, entre otros. En la agricultura el uso de las EMAs facilita el uso de métodos
más eficientes para estimar los requerimientos hídricos de los cultivos, por ejemplo la
estimación de la evapotranspiración potencial por medio de la ecuación Penman que requiere
diferentes variables meteorológicas. En la actualidad el uso de estaciones agrometeorológicas
automáticas cada vez más es una práctica común en el mundo y en México. La Figura 1,
muestra la configuración estándar de una estación meteorológica automatizada con
radiotelemetría. Las estaciones meteorológicas automatizadas, están equipadas con una serie
de sensores conectados a un microprocesador (datalogger) que monitorea, a intervalos
configurables, los datos meteorológicos de acuerdo a un programa residente en el procesador
[6].
Figura 1. Configuración típica de una estación meteorológica automática [6].
2.7 Componentes funcionales de las EMAs
9
Los componentes funcionales comunes de todas las redes de estaciones incluyen,
sensores electrónicos, sistemas electrónicos y hardware de telecomunicaciones. Los avances
que han ocurrido en los últimos 20 años en todas las áreas, minimizaron los costos y logística
en las mediciones ambientales a largo plazo. De los tres componentes citados la comunicación
remota ha crecido más rápido [7].
Un primer registrador de datos optimizado para las redes de agricultura y la climatología fue
presentado en 1979. El micro registrador de datos “CR21” manufacturado por Campbell
Scientific. Tuvo a un minuto (más tarde a 10 segundos) la velocidad de escaneo, siete
analógicas, y dos entradas contadoras de pulso. El registrador almacenaba ligeramente más de
600 valores procesados internamente y soportaba recuperación de datos remota y verificación
del sistema a través de líneas telefónicas por rango de voz. Operaba por 6 meses con ocho
baterías de celda alcalina y sobre temperaturas de -35ᵒ a 60ᵒ C [9].
2.8 Evolución de las estaciones automáticas
El rápido desarrollo de las estaciones meteorológicas automáticas (EMAs) capaces de
funcionar a distancia, permitió la creación de redes EMAs a finales de los 70s y principios de
los 80s. Esto ocurrió como causa de nuevas tecnologías de la industria electrónica, en especial
la introducción de los semiconductores complementarios de metal–oxido (CMOS,
Complementary metal-oxide-semiconductor) de bajo consumo de energía con fuentes de
corriente directa (CD) de 12 volts lo hizo posible. El microprocesador, además simplifico el
diseño de las Estaciones Meteorológicas Automáticas, permitió el procesamiento de
mediciones de los sensores, con la opción de almacenar los datos en el sitio.
El desarrollo de las EMAs digitales a distancia, con alimentación de CD ocurrido durante los
últimos años de los 70s, permitió su aplicación en la agricultura con mayor cobertura espacial
y se incrementó la frecuencia de muestreo, con reportes oportunos de variables
meteorológicas. Sin embargo por sus altos costos de implementación y mantenimiento de la
10
tecnología, su aplicación no fue tan generalizada. Grabadoras digitales existentes no eran
todavía adaptadas para su operación con bajo consumo de energía a la temperatura ambiente;
los registradores gráficos fue la prevaleciente tecnología que se usó para la grabación de
información meteorológica. Hoy hay un número inmenso de EMAs comerciales, que han
penetrado en diferentes sectores (agricultura, meteorología superficial, etc) en contraste a hace
25 años atrás.
Dos innovaciones dentro de la industria de los circuitos integrados estimularon el rápido
desarrollo de instrumentos de medición ambiental. El resultado agitado de la actividad
comercial hizo disponible nuevas capacidades a un costo que motivo a extender la aplicación.
El primero de estos fue el desarrollo de los circuitos integrados lógicos CMOS (ICs), a
principios de los 70s. Esta tecnología ampliamente redujo los requerimientos de alimentación
de los dispositivos, la elaboración de baterías de 12 volts de operación practico para
instalaciones en campo a largo plazo. La segunda fue la introducción del microprocesador a
mediados de los 70s. Esta innovación simplificó el diseño de los registradores de datos,
periféricos de telecomunicación y sensores, esto proporciono una mayor sofisticación y
funcionalidad.
Entre dos años de la disponibilidad del microprocesador, RCA (Radio Corporation of
America) introdujó el primer procesador CMOS, y la capacidad de procesar mediciones en el
campo llegó a ser una realidad. Las ventajas del procesamiento en sitio para una EMA son
discutidas a continuación. En el momento de los primeros microprocesadores, opciones para
el almacenamiento de datos en sitio fueron limitadas. Memorias de estado sólido eran caras,
con solamente una fracción de la capacidad encontrada en circuitos integrados de hoy en día.
Cintas digitales, la mayor capacidad de medios de comunicación en ese momento, fueron poco
fiables a bajas temperaturas. Existentes grabadoras digitales almacenaban un valor por canal
de entrada cada intervalo de escaneó. Como una consecuencia, los intervalos de escaneó
fueron arreglados frecuentemente para reunir los requerimientos de almacenamiento de datos.
Con el procesamiento de los registradores de datos (dataloggers), las variables pudieron ser
11
muestreadas a velocidades de escaneó adecuadas y las mediciones empacadas dentro de
resultados, tales como medias y extremas, para él registro. Esta capacidad fue significante en
la evolución de las Estaciones Meteorológicas Automáticas [7].
2.9 Evolución de las estaciones meteorológicas en México
El 6 de marzo de 1877 el presidente Porfirio Díaz, de esa época, decretó la creación del
Observatorio Meteorológico y Astronómico de México, en dicho observatorio se realizaron
las primeras observaciones sistemáticas de la atmosfera [10].
Más tarde en el año 1901 se creó el Servicio Meteorológico Nacional (SMN) que se integró
por 31 secciones meteorológicas Estatales y 18 observatorios con algunas estaciones
independientes [11].
Para el año de 1947 México firmó el Convenio de la Organización Meteorológica Mundial
(OMM), Organismo especializado de las Naciones Unidas, encargado de la vigilancia del
tiempo y del clima mundial [10].
En el 2004 México contaba con 16 estaciones de radio sondeo, 79 estaciones sinópticas,
alrededor de 3388 estaciones climatológicas, 94 estaciones automáticas, 12 radares
meteorológicos y 7 receptores satelitales.
Del 2005 al 2010 se añadieron estaciones meteorológicas automáticas llegando a 133, además
de instalarse 30 estaciones sinópticas automáticas y finalmente se estableció un nuevo radar
meteorológico en Chiapas [10].
12
2.10 Fuentes de información meteorológica
El registro de datos de variables meteorológicas en México, se realiza por diversas
Instituciones; cuyo objetivo del uso de la información es diverso, entre los que se encuentran:
funciones operativas (caso del SMN), para estudios climatológicos, mientras que para otras se
trata de estudios específicos o con propósitos de investigación. Entre las instituciones más
importantes que solicitan dicha información están: SMN, GASIR, CFE, Aeropuertos,
Universidades, Gobierno del Distrito Federal, Ejercito Mexicano y particulares [11].
Dentro del SMN, entre sus funciones está no sólo recabar datos sino crear y mantener un
banco nacional de los mismos, así como de intercambiarlos a nivel nacional, regional e
internacional bajo las normas de la OMM (Organización Meteorológica Mundial). Para la red
básica de recolección de datos están las estaciones tradicionales, sin embargo ya se han
instalado redes de estaciones automáticas de carácter permanente o bien otras temporales.
Todo esto genera una cantidad de datos que debe verificarse su calidad, intercambiarla,
procesarla, para un uso específico.
Dentro de la red de estaciones automáticas frecuentemente se produce un mayor volumen de
datos con respecto a las estaciones tradicionales. El acopio de información en cada una de las
instituciones no ha habido una discusión seria sobre la manera de capturar y guardar esta
información, con el fin de hacerla compatible una con otra y así al organizar esfuerzos, hacia
la creación de un banco nacional de datos climatológicos [12].
A continuación se describen las principales fuentes de información existentes de acuerdo con
lo presentado con Quintas [12], con algunas modificaciones y actualizaciones, realizadas por
el Quevedo N. A. [11].
13
El Servicio Meteorológico Nacional (SMN), el cual cuenta con tres redes de estaciones
tradicionales de monitoreo y operan una red de estaciones automáticas telemétricas, además
de las receptoras de imágenes de satélite y radar.
La red de estaciones climatológicas con información cada 24 horas, consiste de alrededor de
3000 estaciones climatológicas que toman lectura de las variables cada 24 horas, a las 8 AM,
están a cargo de las gerencias regionales y estatales. Reportan en forma cuantitativa las
variables de temperatura observada, temperaturas máxima y mínima de las 24 horas
anteriores, evaporación y precipitación acumulada en 24 horas, en forma cualitativa cobertura
del cielo, tormenta, granizo y niebla. Algunas coinciden con estaciones hidrométricas y otras
con estaciones agro-climatológicas, donde se miden otras variables específicas, como altura y
gasto en los ríos en las hidrométricas y humedad del suelo e irradiación solar en las otras.
Las primeras estaciones de esta red datan de los años veinte, esta red se aumentó hasta llegar a
casi 5000 estaciones en la década de los setentas. A partir de 1985 aproximadamente se dio un
desplome de esta red debido a que se pretendió modernizar al SMN, sustituyendo los sistemas
tradicionales manuales por equipo moderno automatizado. El resultado fue desastroso, ambos
sistemas se vinieron abajo, y lo más importante fue la carencia absoluta de personal
capacitado, ya que también se había descuidado este aspecto. Actualmente trabajan menos de
3000 estaciones y el sistema de recolección de la información, ordenamiento y captura se está
realizando de manera muy dispareja en cada región.
La información correspondiente a esta red se capturo y almaceno en la base de datos
CLICOM, en 1990. CLICOM es un sistema que se diseñó a finales de la década de los
setentas como una alternativa de automatización para los países pobres y pequeños. La base ya
era obsoleta cuando fue adoptada por el SMN, pero no se ha podido migrar a otra plataforma
por la resistencia al cambio dentro del mismo SMN. En 1995 el IMTA (Instituto Mexicano de
Tecnología del Agua) colocó esta información en otros dos medios, uno en una plataforma
14
sofisticada en una estación de trabajo con un sistema de información geográfico, que fue
instalada en el SMN y otro en una versión en discos compactos, utilizable en cualquier
computadora personal bajo ambiente MS-DOS, conocido como ERIC (Extractor Rápido de
Información Meteorológica), que fue ampliamente utilizada en diferentes instituciones, con el
problema de que no se llevó un control de calidad de datos.
Así durante 1999 se intentó actualizar esta información, donde se logró recabarse
aproximadamente la mitad de la información faltante. Tanto CLICOM como la segunda
versión de ERIC incluyen esta información, que aun presentó problemas con la calidad de la
información. Incluso el IMTA ha intentado actualizar la base de datos para todo el país.
La red de observatorios sinópticos, como la segunda red de mediciones del SMN consiste en
85 observatorios en todo el territorio nacional, que toman mediciones cada hora y transmiten
los resultados de sus mediciones cada tres horas a la Gerencia Central del SMN en Tacubaya
(dentro del Centro Nacional de Telecomunicaciones, Radio XBA). Los datos forman parte del
compromiso que tiene México con la OMM dentro del programa de vigilancia meteorológica
mundial. Esta información se retransmite a la sede de Washington (como miembro dentro de
la región IV) en tiempo real para los análisis sinópticos.
Los observatorios están integrados por diversos instrumentos de observación meteorológicos,
que son operados por personal durante las 24 horas del día, el personal está entrenado para el
mantenimiento, lectura e incluso codificación de los datos (que es la forma en que se registra y
trasmite la información dentro de la OMM). Sin embargo, en la práctica aún se tienen
carencias muy severas tanto de personal (capacitación) como de instrumentos (mantenimiento
y calibración).
15
Las variables que se miden son: precipitación pluvial (duración e intensidad), temperatura,
presión atmosférica, intensidad y dirección del viento, evaporación, humedad, descripción del
cielo, y en algunos casos insolación, estado del suelo, condiciones del tiempo presente y
pasado. La información correspondiente a la hora múltiplo de tres llega al SMN codificados,
que se almacenan y transmiten a la red Mundial de la OMM. El SMN cuenta con el servicio
de brindar la información disponible al usuario que lo solicite. En el año 2000 se creó una
base de datos de información sinóptica descodificada (DBSYNOP), como un primer intento
para hacer accesible dicha información a los usuarios.
La red de estaciones de radio sondeo, integrada por una red de 15 estaciones de monitoreo de
altura, casi todas ellas coinciden con algún observatorio. En todas ellas se realiza un sondeo
diario (a las 12 GTM, Tiempo del meridiano de Greenwich), excepto en el observatorio de
Tacubaya (12 y 00 GTM). Estas mediciones se comenzaron a realizar en 1948 en el DF,
Mazatlán y Mérida. Los datos históricos hasta 1998 han sido recopilados y se editaron en un
disco compacto, tarea en la cual colaboró el IMTA.
Los radares, el SMN dispone de 12 radares meteorológicos que pueden producir imágenes de
reflectividad y de viento cada 15 minutos. Esto es aproximadamente unas 2000 imágenes
diarias. Lamentablemente han existido diversos problemas para mantener en operación a los
radares en los últimos años. Por diversas razones, a la falta de especialistas en la interpretación
de los productos de radar, no se ha explotado la capacidad potencial de esta información, por
lo que es necesario diseñar procedimientos de procesamiento, clasificación y almacenamiento
de esta información para futuros estudios.
Las estaciones automáticas de monitoreo de superficie, que en 1998 se instalaron 19
estaciones hidroclimatológicas automáticas comunicadas vía satélite con la gerencia central.
Actualmente se cuenta con 60 estaciones de este tipo, las cuales registran las siguientes
variables: temperatura ambiente, humedad relativa, presión atmosférica, radiación solar,
16
precipitación pluvial y viento cada 10 minutos; que son transmitidos cada tres horas,
procesándose y almacenándose en el SMN.
2.11 Instituciones que recopilan información climatológica
2.11.1 Gerencia de Aguas Superficiales e información de Ríos
(GASIR)
La Gerencia mantiene también una red de estaciones hidrométricas y climatológicas,
algunas de las cuales coinciden con las estaciones climatológicas que se reportan en la base de
datos CLICOM. Además monitorea los principales vasos de almacenamiento del país, sin
embargo operan de manera independiente con respecto al SMN.
Estaciones hidrométricas y climatológicas, red que cuenta con 1700 estaciones de las cuales
aproximadamente 900 se pueden comunicar diariamente por teléfono o radio. Todas realizan
al menos una medición diaria, aunque algunas hacen mediciones dos o tres veces por día y aún
más durante las emergencias. Las variables que se monitorean son nivel de agua, caudal,
volumen escurrido, peso y volumen de sedimentos y precipitación.
Vasos de almacenamiento, se controlan 121 presas, donde se mide niveles y gastos de entrada
y salida. Datos que fueron recabados y organizados por el IMTA y están disponibles en un
sistema llamado BANDAS.
2.11.2 Comisión Federal de Electricidad (CFE)
17
La Comisión Federal de Electricidad mantiene una red de 200 estaciones
hidrometeorológicas permanentes, cuya información hasta 1990 fue incorporada al sistema
CLICOM. De la última década se tienen digitalizados los valores mensuales, pero aún no ha
sido capturada la información diaria, Además, la CFE posee una estación receptora de
imágenes de satélite.
2.11.3 Servicios a la Navegación en el Espacio Aéreo Mexicano
(SENEAM)
SENEAM realiza observaciones de manera permanente en cada uno de los 69
aeropuertos principales del país. Se trata de observaciones horarias, especialmente importantes
para el tráfico aéreo, que son transmitidas para el intercambio mundial en tiempo real.
Institución que dispone de la información del SMN (radiosondeos y de superficie) como parte
de apoyó en sus necesidades de navegación aérea.
2.11.4 Secretaría de la Defensa Nacional (SEDENA)
Institución que maneja una red de observatorios climatológicos sin embargo se
desconoce de manera oficial detalles sobre la misma.
2.11.5 Gobierno del Distrito Federal
El Gobierno del Distrito Federal posee una red de monitoreo atmosférico que es sin
duda la red más densa del país. Con más de 60 estaciones en el Valle de México que miden
variables meteorológicas y concentración de contaminantes, con el fin de evaluar la calidad
del aire. Esta red es automática, y trasmite en tiempo real, además permite realizar tanto las
alertas de inundación como declarar las contingencias ambientales en la ciudad de México.
18
2.11.6 Otras instituciones
Diferentes universidades del país realizan mediciones para diferentes proyectos de
investigación. Estas mediciones no suelen ser permanentes, aunque en algunos casos sí se
mantienen en forma operativa unas pocas estaciones de medición. En el caso de la UNAM se
ha comenzado a trabajar de manera permanente en algunas de las escuelas preparatorias y
CCH. En otros casos como en Guanajuato, la universidad colabora realizando gran parte del
trabajo de captura y procesamiento de los datos de la CNA. Entre otras Universidades que
cuentan con estaciones meteorológicas tradicionales o automáticas se citan la UACH, UAM,
Colegio de Postgraduados, entre otros.
2.12 Sistema de control
Un sistema es un conjunto de elementos o partes organizadas para realizar una función
determinada. En términos de un dispositivo se define como aquel que transforma una señal en
otra; en el caso de un sistema electrónico es aquel cuyos elementos o partes realizan sus
funciones respectivas por medios electrónicos [13] [14].
Un sistema de control es un dispositivo o grupo de dispositivos que actúan conjuntamente
para dirigir o regular su propio comportamiento o el de otros y alcanzar un objetivo específico
[15]. Para lograr esto, algunos, mantienen una relación entre la entrada de referencia y la
salida controlada, lo que les permite modificar las acciones correctivas y adecuarse a
diferentes situaciones (ver Figura 2).
Dada la gran versatilidad de computadoras electrónicas, su amplia variedad, capacidad y
métodos en el tratamiento de la información, hacen que la mayoría de los controladores se
basen en ellas para realizar sus funciones.
19
Estas varían de acuerdo a su capacidad y comprenden desde microcontroladores, pequeños
ordenadores en un simple circuito integrado para pequeñas aplicaciones, hasta computadoras
personales de propósito general.
Figura 2. Estructura general de un sistema de adquisición
y distribución de señales para medir (sensar) y controlar [13].
2.13 Señal eléctrica y medición
[16] Describe una señal como la manifestación eléctrica de la información, donde la
información representa un conjunto de datos que proporciona conocimiento o sentido de las
cosas. Cuando la fuente de información entrega mensajes no eléctricos, se requiere un
transductor adecuado para convertir el mensaje en una señal.
[13] Menciona que en un sistema de medida se requiere de adquirir la información (en forma
de señales analógicas o digitales), procesarla y presentarla, e incluso algunas veces se requiere
que se registre. En la Figura 3, se indican lo pasos a seguir para medir un proceso físico por
medio de sensores, así mismo en la Figura 4, se describe el modelo de medición, con
20
amplificador, convertidor analógico a digital y el equipo de salida para su posterior
visualización.
Figura 3. Modelo simple para medir un proceso físico [17].
Figura 4. Modelo de medición con amplificador, convertidor analógico a digital y equipo de salida [17].
[18] Mencionan que ninguna medición se puede realizar con una exactitud perfecta, siempre
existe algún tipo de error y los clasifican en tres categorías:
Errores gruesos: en gran parte de origen humano como malas lecturas, ajustes
incorrectos y equivocaciones en cálculos.
Errores sistemáticos: debidos a fallas en los instrumentos, como partes defectuosas o
gastadas.
Errores aleatorios: ocurren por causas que no se pueden establecer debido a
variaciones en los parámetros o en el sistema de medición.
Existen técnicas que permiten reducir el margen de error en una medición, como determinar el
promedio de varias lecturas en vez de efectuar una sola o realizar un análisis estadístico que
permita estimar el error.
21
2.14 El Transductor
Es un dispositivo capaz de transformar o convertir un determinado tipo de energía a
otra diferente, por ejemplo un transductor electromecánico transforma la energía eléctrica en
energía mecánica; [13] describe, la señal de entrada y salida no deben ser homogéneas pero si
en algún momento lo fueran se propuso el término “modificador” pero no se ha encontrado
aceptación.
2.15 El sensor su calibración y acondicionamiento
Un sensor es un dispositivo que, a partir de la energía del medio donde se mide
(sensa), da una señal de salida transducible que es función de la variable medida, una
ampliación de los sentidos para adquirir un conocimiento de cantidades físicas que, por su
naturaleza no pueden ser percibidas directamente. La tendencia actual, particularmente en
electrónica es emplear el término sensor.
Las señales pueden describir una amplia variedad de fenómenos físicos y aunque pueden
representarse en muchas formas, en todos los casos la información está contenida en un patrón
de variaciones que presenta alguna forma determinada [19].
La relación entre señal en la salida de un sensor en específico y los valores correspondientes a
un patrón establecido es conocida como calibración [16].
En muchos casos es necesario que el instrumento proporcione un valor numérico de la señal,
de tal modo que se pueda conectar a un sistema de adquisición de datos computarizado. Si el
sensor intrínsecamente no proporciona una salida digital, la salida analógica del sensor es
22
convertida por medio de un ADC (Convertidor analógico-digital) el cual cuantifica y genera
un código del dato. Este rango lo define el número de bits del ADC, dado que un bit
representa solo dos valores (“1” y “0”) las posibles combinaciones que se pueden hacer con
“n” número de bits es 2ⁿ, por ejemplo, al tener un ADC de 3 bits, este generaría un código de
23 = 8 valores.
Cuanto más grande sea el número de bits del convertidor, mayor será el grado de
aproximación que tengan con las señales analógicas. Aunque nunca lleguen a ser idénticas
debido a que estas últimas contienen infinidad de valores. En la Figura 5, se muestra una señal
analógica muestreada por un ADC, donde el tamaño de los “escalones” está definido por el
número de bits.
Figura 5. Señal senoidal y su versión digital.
La cantidad de energía que usa un transductor es pequeña, por lo que se tiene que
acondicionar para que se adapte a las siguientes etapas, para aprovechar el margen dinámico
del ADC. Se debe de verificar que la amplitud de la señal, debe coincidir con la entrada del
convertidor. Para acondicionar tal señal se usan circuitos de acondicionamiento que se
encargan de amplificar, filtrar y adaptar la señal del sensor al ADC u otro tipo de etapa
posterior.
23
Si los sensores necesitan una señal de alimentación externa, los circuitos de
acondicionamiento lo proporcionan, dado que los acondicionadores de señal manejan solo
señales eléctricas sin convertirla en otras formas físicas, constituyen lo que se denomina
interfaz. Se requiere de otras interfaces del sistema, que son las necesarias para enviar
información a través de los canales o líneas de comunicación. Su función y estructura
dependen tanto del medio de comunicación como del código que se emplea para transmitir el
mensaje [13].
La amplificación y el filtrado constituyen dos de las etapas básicas para el acondicionamiento
de señales. La etapa de amplificación permite modificar el nivel de la señal que se obtiene de
un sensor o de cualquier dispositivo que ofrezca una respuesta generalmente débil, que pueda
ocasionar la pérdida de información adquirida o errores en la misma. Por su parte el bloque
funcional de filtrado principalmente permite atenuar o discriminar componentes de
frecuencias inadecuadas o indeseadas, con el objetivo de obtener una señal suficientemente
limpia que pueda ser procesada en un computador a través de un sistema de adquisición de
datos [20].
2.16 Sensores inteligentes
Un sensor inteligente es aquel que combina funciones de detección, de procesamiento
de la señal, y de comunicación. Dado que estas funciones adicionales las suele realizar un
microprocesador, a la combinación de sensor y microprocesador se le denomina a veces
“sensor inteligente”. Este incluye un sensor primario algún algoritmo de control, memoria y
capacidad de comunicación digital. Los sensores inteligentes reducen la carga sobre los
controladores digitales ya que ejecutan funciones que estos realizarían si se tratara de sensores
comunes [21].
24
Una red de sensores inalámbricos consiste en un número de dispositivos inalámbricos capaces
de registrar medidas ambientales tales como temperatura, luz, sonido y humedad. Las lecturas
de los sensores se transmiten hacia una aplicación que tome decisiones basadas en éstas [22].
2.17 El microcontrolador
Un microcontrolador es un circuito integrado digital monolítico que contiene todos los
elementos de un procesador digital secuencial síncrono programable de arquitectura Harvard,
con memorias de programa y de datos separadas. Se suele denominar también
microcomputador integrado o empotrado. Muchos cuentan con una cierta cantidad de
memoria EEPROM para el almacenamiento no volátil de datos, con procesadores tipo RISC
que cuentan con un pequeño número de instrucciones.
Además con una unidad central de procesamiento que es el cerebro del computador y quien
realmente gobierna y ejecuta todos los cálculos, está compuesta a su vez de dos unidades
funcionales, la unidad aritmética y la unidad de control. La primera realiza un conjunto finito
de operaciones aritméticas y lógicas elementales tales como suma, resta, AND, OR, y la
segunda se encarga de leer las instrucciones máquina almacenadas en la memoria principal,
decodificarlas, y generar las señales de control de bajo nivel necesarias para que cada
instrucción sea ejecutada, unidades de entrada-salida las cuales realizan la transferencia de
información con las unidades exteriores al computador y el reloj un oscilador de frecuencia
fija que sincroniza las operaciones del resto de componentes del ordenador.
Actualmente, la tecnología que se emplea en la fabricación de estas unidades funcionales es
generalmente CMOS, pues aunque es más lenta que la tecnología TTL, posee un nivel de
consumo de energía mucho menor, por lo cual permite un nivel de integración mucho mayor
(ya que el circuito al consumir menos también se calienta menos). La transferencia de
25
información entre las distintas unidades se realiza a través de unos caminos o BUSES que no
son más que conductores en paralelo por los cuales pasan varios bits a la vez. Estos buses
suelen ser de 8, 16, 32 o 64 bits, dependiendo del procesador.
Estos poseen mecanismos de seguridad, que proporcionan protección al equipo electrónico
contra copias y modificaciones del programa no autorizadas En la Figura 6, se muestran
algunos de los campos de aplicación [23] [24] [25].
Figura 6. Principales campos de aplicación de los microcontroladores.
2.18 Comunicación electrónica
Las comunicaciones electrónicas se definen como la transmisión, recepción y
procesamiento de la información que usan los dispositivos electrónicos, y pueden ser de
forma análoga (proporcional o continua) o digital (en etapas discretas). En la Figura 7, se
muestran los componentes básicos de cualquier forma de comunicación. Un sistema analógico
de comunicaciones es aquel en el cual la energía se transmite y se recibe en forma analógica
(una señal de variación continua en él tiempo y en la amplitud, como por ejemplo una onda
26
senoidal). Las comunicaciones digitales abarcan una amplia variedad de técnicas de
comunicación, que incluyen transmisión digital y radio digital. Los sistemas de transmisión
digital requieren una instalación física entre el transmisor y el receptor, como por ejemplo un
conductor metálico o un cable de fibra óptica [26].
Figura 7. Componentes en la transmisión de un mensaje.
La comunicación se refiere al proceso de transmisión, el transporte de información entre
puntos finales de un sistema o red, y lo clasifica de acuerdo al medio en que se transfiere
información de uno a otro como [27]:
Cables de cobre, por ejemplo los que se usan en líneas de teléfono.
Cables de fibra óptica, que comúnmente se emplean para altos rangos de transmisión.
Ondas de radio, que se usan en los teléfonos celulares y satélites.
Espacio óptico libre, como en los controles remotos infrarrojos de televisión.
Los sistemas de comunicación electrónicos se pueden diseñar para manejar la información: en
una sola dirección (modo-simplex), en ambas direcciones pero solo una a la vez (half-duplex),
en ambas direcciones al mismo tiempo (modo fullduplex) o en ambas direcciones al mismo
tiempo y entre diferentes dispositivos (modofull/full-duplex).
La información que contiene los mensajes que transmiten los sistemas de comunicación no
siempre puede viajar tal cual es, por lo que se necesita de un proceso que la transforme y se
adecúe al medio en donde se desplazará. La modulación se hace en un transmisor mediante un
circuito llamado modulador. Una portadora sobre la que ha actuado una señal de información
se llama onda modulada o señal modulada. La demodulación es el proceso inverso a la
27
modulación, y reconvierte a la portadora modulada en la información original (es decir, quita
la información de la portadora). La demodulación se hace en un receptor, con un circuito
llamado demodulador.
Estas técnicas de modulación analógica, en los últimos años, se están desplazando por técnicas
de modulación digital, debido a que éstas presentan mayor inmunidad al ruido, un
procesamiento más sencillo, alta seguridad en los datos y la multicanalización. La Figura 8,
representa una señal digital modulada en amplitud por una onda portadora; cuando llega al
receptor la presencia de la portadora muestra el nivel alto del mensaje y la ausencia de esta
indica el nivel bajo. [26]
Figura 8. Señal digital modulada en amplitud (ASK).
2.19 Codificación del mensaje
Los códigos de comunicación son secuencias prescritas de bits, que se usan para
representar caracteres y símbolos en las comunicaciones de datos [25], y también ayudan a
sincronizar el receptor. En una transmisión digital, el receptor se sincroniza con el transmisor
en el orden que recibe información cuando cada símbolo llega y de esta forma no necesita
retransmitir información adicional como señales de tiempo.
28
Algunos códigos están diseñados para ofrecer mayor resistencia al ruido e interferencia, tal es
el caso del código Barker también llamado código de dispersión o PseudoNoise. El cual
funciona al mezclar un patrón pseudoaleatorio de bits para extender los datos antes de que se
transmitan, es decir, cada bit de información se modula por medio de una secuencia de bits del
código patrón de referencia.
Esto aumenta el tamaño del mensaje que se transmite y hace que la comunicación sea más
lenta, sin embargo, cuando un fragmento del mensaje es alterado a causa del ruido o
interferencia, éste se puede recuperar si la mayoría del mensaje concuerda con el código
patrón.
Los sistemas que solo usan códigos, pero no modulación, son llamados sistemas de
transmisión de banda base. Este término se refiere a la banda de frecuencias que se generan
por algún dispositivo antes de sufrir alguna modulación. Para comunicaciones en distancias
cortas y que viajan por un medio conductor no siempre es necesario la modulación.
Otro de los códigos que más se utiliza es el ASCII (Código Estadounidense Estándar para el
Intercambio de Información) que esta con base en el alfabeto latino tal y como se usa en el
inglés moderno. El ASCII define códigos para 33 caracteres no imprimibles, de los cuales la
mayoría son caracteres de control obsoletos que tienen efecto sobre cómo se procesa el texto,
más otros 95 caracteres imprimibles que incluyen letras y números y el resto con símbolos
especiales.
2.20 Interfaces de comunicación
29
Una interfaz es una conexión física entre dos sistemas o aparatos independientes a
través de la cual se envían o reciben información entre ellos. Existen diferentes estándares que
establecen especificaciones para llevar a cabo dicha conexión, tal es el caso de la interfaz
RS232, que define un paquete de ocho bits antecedido por un bit de inicio que sincroniza al
receptor para la comunicación y dos de final que indica el bit de paridad y el término del
bloque de datos. La comunicación es efectiva si el receptor está configurado a la velocidad en
que se efectúa la transmisión.
En la Figura 9, se muestra la estructura de un mensaje dentro del estándar RS232 desde los
niveles de +3 a +15 V para representar un espacio (cero lógico) y de -3 a -15 V para una
marca (uno lógico). En ausencia de información la señal permanece dentro de los niveles de
marca, en un mensaje el cambio de nivel en el primer bit señala el inicio de la transmisión, los
siguientes siete bits representan los datos, otro indica la paridad de los bits de datos, y dos bits
finales indican el termino del mensaje; al usar solo un conductor para la transmisión, cada bit
se sincroniza en un periodo de tiempo definido tanto en el emisor como en el receptor para
realizar una comunicación efectiva.
Figura 9. Estructura de un dato dentro de la interfaz RS232.
2.21 Protocolos de comunicación
30
Las computadoras, deben comunicar con un mismo “lenguaje” para entenderse unas
con otras. Este lenguaje común se define como protocolo y en él se detallan las
especificaciones para comunicar dos sistemas diferentes. El protocolo se basa en varias reglas
como por ejemplo: cual palabra en código binario representará la letra “A” y que voltaje
representara el bit “1”, [27] así como en reglas para el direccionamiento, representación,
autentificación, detección y corrección de errores.
Uno de estos protocolos es el Modbus, que se diseñó por Modicom para aplicaciones en
controladores lógicos programables (PLC’s). El Modbus no está legitimado por un organismo
de estandarización pero es una norma aceptada y se usa para muchas aplicaciones donde
interviene la conexión de una computadora con una unidad remota (RTU). Existen dos formas
de representar los datos en este protocolo: el Modbus RTU, el cual es una representación
compacta de datos y finaliza la trama con un CRC (control de redundancia cíclica), y el
Modbus.
En el código ASCII, la información la representa por medio de códigos legibles y finaliza con
un LRC (control de redundancia longitudinal).
Mientras que el LRC utiliza la integridad del bit de paridad (bit agregado de forma que el
número de bits “1” contenidos en un mensaje resulte par) para detectar, y en algunos casos
corregir errores en la transmisión de un grupo de caracteres; el CRC asigna un segmento de
datos cuyo valor es el resultado de una división binaria de campo finito entre un polinomio
generador y el conjunto de datos que se transmiten, donde el cociente es descartado y el
residuo se convierte en el resultado.
31
A este conjunto de datos se le conoce como trama de comunicación y normalmente consta de
inicio, datos y final, los cuales permiten un manejo ordenado de la información. La trama de
comunicación puede presentar anomalías al transmitirse, causadas por ruido eléctrico.
2.22 Ruido
El ruido eléctrico se define como una señal indeseable sin relación alguna con la señal
deseada y lo clasifica de acuerdo a la fuente que lo genera como [28]:
Ruido producido por el hombre. Es la recepción de señales indeseables provenientes
de otras fuentes como contactos defectuosos, artefactos eléctricos, radiación por
ignición y alumbrado fluorescente.
Perturbaciones naturales y erráticas. Ocurren irregularmente y son producidas por
relámpagos, tormentas eléctricas en la atmósfera, ruido intergaláctico o disturbios
atmosféricos.
Ruido de fluctuación. Se presenta en el interior de los sistemas físicos y es producido
por la generación aleatoria, recombinación y difusión de portadores (electrones y
espacios no ocupados) en semiconductores.
El ruido producido por el hombre se puede evitar eliminando la fuente que lo produce,
mientras que las otras dos son inherentes de los sistemas eléctricos y electrónicos, éstos se
puede manifestar en las comunicaciones en forma de interferencia.
Se entiende por interferencia cualquier señal ajena o no al sistema, que se mezcla con la señal
que se transmite, provocando perturbaciones en esta, modificando el contenido de la
información [15], por lo cual se hace tan esencial la detección y corrección de errores.
32
2.23 Telemetría
En distancias grandes, cuando el emisor o el receptor son inaccesibles, o cuando se
interesa que se puedan mover libremente uno respecto al otro, se emplea la telemetría vía
radio. Para esto, en primer lugar, la señal del sensor, una vez acondicionada, se modula (si su
salida es analógica) o se codifica (si su salida es digital), para poder ser combinada con otras
que vayan a compartir el mismo medio, y se emplea una comunicación dúplex para poder
verificar las mediciones. Si la información se transmite en forma de tensión continua
proporcional a la medición, la distancia debe ser pequeña debido a que las tensiones parásitas
pueden producir ruido y la medida podría alterarse.
La telemetría frecuentemente es inmune a las interferencias, pero no hay normas que permitan
utilizar, en un mismo sistema, transmisores de distintos fabricantes. Además, las señales de
frecuencia iguales a las del sistema transmitidas, pueden ser fuente de interferencias en
circuitos próximos [20].
En la Figura 10, se muestra la estructura general de un sistema de telemetría; la información
viaja, ya sea a través de un medio físico (línea) o por el espacio libre desde algún sensor a una
etapa de presentación donde se visualiza o procesa. La primera línea representa a los sistemas
simples donde la señal obtenida del sensor no se modifica para transmitirse. En la segunda
interviene la codificación y modulación, pero en ambos casos el alcance se encuentra dentro
de la línea de vista (Line-of- Sight, LoS), microondas que operan entre 2 y 6 Ghz, que pueden
transmitir a distancias entre 20 y 30 millas; para sistemas que necesitan cubrir una distancia
mayor es necesario el uso de repetidores para regenerar la señal. Los sistemas con modo de
transmisión dúplex integran algún tipo de MODEM (modulador-demodulador).
33
Figura 10. Estructura general de un sistema de telemetría.
Alcance de la telemetría, es uno de los puntos más importante en los módulos de
comunicación inalámbrica es el alcance que es capaz de cubrir. Este es un dato preciso dentro
de sus hojas de especificación, sin embargo, está calculado de acuerdo a condiciones ideales
como el tipo de antena, su altura y una distancia libre de obstáculos entre emisor y receptor
conocida como RF LoS (Radio Frecuency Line of Sight) lo cual resulta lógico al considerar
que las obstrucciones reducen el alcance de la comunicación.
Cualquier situación que involucre radiación de ondas implica al fenómeno de difracción que
provoca la interferencia. En el espacio donde ocurre esto, es uno de los teóricamente infinitos
elipsoides concéntricos que definen los volúmenes del patrón de radiación y se le conocen
como Zona Fresnel (ver Figura 11) que propuso por primera vez el ingeniero francés Agustin
Fresnel en 1818 en un intento de explicar fenómenos de difracción al usar el principio de
Huygens [29].
34
Figura 11. Zona de Fresnel.
Las señales más fuertes están en la línea directa entre el transmisor y el receptor, y siempre se
encuentran en la zona 1 de Fresnel, que se define por la siguiente ecuación:
(1)
Dónde:
r = radio en metros D = distancia total en kilómetros f = frecuencia transmitida en Gigahertz.
Cualquier obstrucción en la zona de Fresnel, reduce el alcance de las comunicaciones,
incluyendo edificios, vegetación, el suelo, etc., con el fin de mantener este espacio libre es
necesario elevar las antenas.
2.24 Energía solar fotovoltaica
La base de esta tecnología se encuentra en el efecto fotovoltaico, descubierto en 1839
por el físico Antoine Becquerel y que se produce cuando la luz del sol incide sobre un material
capaz de absorber esta radiación, que se transforma en energía eléctrica.
f
Dr
432.17
35
La conversión directa de la energía solar en energía eléctrica se debe al fenómeno físico de la
interacción de la radiación luminosa con los electrones en los materiales semiconductores
(generalmente silicio, muy abundante en nuestro planeta), fenómeno conocido como efecto
fotovoltaico. En la Figura 12, se muestra la incidencia de luz solar, regiones (N y P),
colectores de corriente en una célula solar (pequeños elementos fabricados de un material
semiconductor cristalino “dopado”, es decir al que han sido adicionados determinados tipos de
impurezas), diferentes colores de células de silicio se muestran en la Figura 13. Normalmente
una célula fotovoltaica está formada por dos laminas muy delgadas de materiales
semiconductores que se superponen: la primera de ellas es un cristal de silicio con impurezas
de fosforo, y la segunda, un cristal de silicio con impurezas de boro. Cuando el sol ilumina la
célula, la energía de la radiación luminosa provoca una corriente eléctrica en el interior de la
misma, generando una fuerza electromotriz entre dos electrodos adosados, respectivamente a
cada capa de la célula.
Esta energía solar fotovoltaica es una fuente de energía renovable, es inagotable, limpia y se
puede aprovechar en el mismo lugar en que se produce (autogestionada). Los sistemas
fotovoltaicos consisten en un conjunto de elementos, denominados células solares o células
fotovoltaicas dispuestos en paneles, Figura 14.
El material usado y la tecnología necesaria para la fabricación de una célula solar se asemejan
a la usada para hacer los chips de los ordenadores. Por eso la fabricación de células solares se
considera de alta tecnología. El gran reto es hacer barata esta alta tecnología, hoy en día las
células solares producen electricidad a un costo cinco veces mayor que el que paga
habitualmente a la compañía eléctrica un usuario normal en un país desarrollado [30] [31]
[32].
36
Figura 12. Célula solar fotovoltaica de silicio cristalino [33].
Figura 13. Diferentes células de colores de silicio monocristalino [34].
37
Figura 14. Módulo solar fotovoltaico.
2.25 Convertidores cd-cd.
En muchas aplicaciones industriales se requiere convertir un voltaje fijo de una fuente
de cd (corriente directa) en voltaje variable de suministro de cd. Un convertidor cd-cd
convierte en forma directa de cd a cd y se llama simplemente convertidor de cd. Se puede
considerar que un convertidor cd es el equivalente en cd de un transformador de ca (corriente
alterna), con una relación de vueltas que varía en forma continua. Al igual que un
transformador, se puede usar para subir o bajar el voltaje de una fuente.
Los convertidores de cd se usan para el control de motores de tracción de automóviles
eléctricos, tranvías, grúas marinas, montacargas y elevadores de mina. Proporcionan un
control uniforme de aceleración, gran eficiencia y rápida respuesta dinámica. Se pueden usar
en el frenado regenerativo de motores de cd para regresar la energía en los sistemas de
transporte que tienen frenados frecuentes. Los convertidores de cd se usan en los reguladores
de voltaje de cd, y también se usan en conjunto con un inductor para generar una corriente de
cd, en especial para el inversor de fuente de corriente [35].
38
2.26 Reguladores reductores.
En un regulador reductor, el voltaje promedio de salida Va es menor que el voltaje de entrada
Vs, por ello el nombre “reductor”.
Figura 15. Elementos de reguladores en modo de conmutación [35].
El diagrama de circuito de un regulador que usa un BJT (transistor de unión bipolar) de
potencia se ve en la Figura 15, que se parece a un convertidor de bajada. El funcionamiento
del circuito se puede dividir en dos modos. El modo 1 comienza cuando se cierra el transistor
Q1 cuando t = 0, la corriente de entrada, que aumenta, pasa por el inductor de filtro L, el
capacitor de filtro C y el resistor de carga R. El modo 2 comienza cuando se apaga el
transistor Q1 cuando t = t1. El diodo de marcha libre Dm conduce, por la energía almacenada en
el inductor, y la corriente del inductor sigue pasando por L, C, la carga y el diodo Dm, la
corriente del inductor baja hasta que el transistor Q1 enciende de nuevo, en el siguiente ciclo.
Ambos modo de operación se pueden ver en dos circuitos equivalentes, como se indica en la
Figura 16.
39
Figura 16. Modos de operación de un transistor bipolar en una fuente conmutada de bajada [35].
2.27 Resumen
El presente capítulo constó de dos partes, en la primera se hizo una descripción sobre
los conceptos básicos de la meteorología, las estaciones meteorológicas, estaciones
automáticas, la red de estaciones, importancia del diseño, desarrollo de una estación
meteorológica automática y las instituciones que recopilan información climatológica. En la
segunda parte se describió todo lo relacionado con los conceptos sobre la adquisición y
40
distribución de señales, el sensor su calibración y acondicionamiento, los aspectos generales
del microcontrolador, ruido, telemetría, energía fotovoltaica y sobre los convertidores CD-CD
CAPÍTULO 3. DISEÑO E IMPLEMENTACION
3.1 Marco de referencia sobre materiales y métodos
El presente capítulo se integra de seis partes, en la primera se detalla la ubicación
donde muestra el lugar donde se realizaron las diferentes pruebas, en la segunda parte solo se
menciona brevemente el microcontrolador 18F4553 y sus principales características, en la
tercera parte describe la selección de sensores para la integración de la estación meteorológica
automática y se da una breve explicación de su funcionamiento de cada uno de ellos, en la
cuarta parte se hace una descripción de los componentes que integran el sistema solar
fotovoltaico, en la quinta parte explica los módulos de radio frecuencia utilizados, para
concluir con el software utilizado que contribuyeron en la realización del presente trabajo.
3.2 Ubicación del sitio de prueba
La validación del sistema de telemetría desarrollado en este trabajo se realizó en la
estación agrometeorológica del Programa de Hidrociencias del Colegio de Postgraduados
Campus Montecillo, Texcoco, Estado de México. La Figura 17, muestra el lugar de
experimentación. Localizado a 19° 27’ latitud norte y 98° 54’ longitud oeste y a una elevación
de 2248 m. El clima del lugar es C(Wo)(W)b(i’)y corresponde a una categoría templado
subhúmedo con lluvias en verano, con una precipitación y temperatura anual de 625 mm y
15.5°C, respectivamente [36].
41
Figura 17. Lugar de experimentación.
La Figura 18, muestra el diagrama de procesos, el Software es el coordinador principal,
primero proporciona los drivers necesarios para que el Microcontrolador realice las funciones
requeridas, muestra todos los datos adquiridos a través de una interfaz de usuario para una
fácil interpretación , todos estos los almacena en una base de datos, el Microcontrolador
realiza una comunicación para obtener en nuestra computadora los datos inalámbricamente y
finalmente la estación es la encargada del monitoreo del clima.
Figura 18. Diagrama principal de procesos.
3.3 El microcontrolador 18F4553
Se seleccionó el microcontrolador 18F4553 de la empresa microchip, con arquitectura
Harvard, con un procesador del tipo RISC, tecnología CMOS. En la Figura 19, muestra el
diagrama de flujo con las opciones de configuración y manejo de datos.
•3.1 Monitorea
c) Estación Meteorologica
•1.1 Configura
•1.2 Guarda Datos
a)Software
•2.1Comunica
b) Antena Central
42
Figura 19. Diagrama de flujo de la estación meteorológica.
INICIO
Configuración de:
-La Resolución del ADC 12 Bits.
-Los FUSES (configuraciones de registro del PIC).
-La Velocidad de Transmisión (9600 bps, 8bits, 1
bit parada).
-La Velocidad del Oscilador.
-Declara las Funciones (Lectura, Promedio, Descarga, Reinicia)
-Declara las Interrupciones (USART, TIMER, Interrupción Externa
INT0).
Condicional de Ciclo Repetitivo
(SIEMPRE TRUE)
Fin
si
no
Menú de opciones para el dato del buffer serial: 1. Temperatura 2. Humedad Relativa 3. Radiación 4. Presión Atmosférica 5. Pluviómetro 6. Dirección del Viento 7. Velocidad del Viento
-De opción 1-6, Manda a llamar las funciones de Lee, Promedia,
Descarga y Reinicia.
-Opción 7, Lee el contador de la interrupción externa y lo relaciona con
el tiempo definido del Timer
Escribe el dato leído en el buffer de salida de la comunicación serial
43
3.4 Selección de sensores
Para la integración de la estación meteorológica automática se incluyeron siete
diferentes sensores, en base a lo presentado en Marzo del 2004 “Estación Meteorológica con
telemetría” se compraron los sensores de temperatura ambiente, humedad relativa y presión
atmosférica y los otros solo se disponían, por lo que a continuación se mencionan dichos
dispositivos [2].
3.4.1 Sensor de temperatura
El sensor de temperatura es el LM135H de National Semiconductor, opera como un
diodo zener el cual varía su tensión de ruptura inversa de acuerdo a la temperatura de su
carcasa. Según la información técnica del sensor (Anexo), cuando este sensor se calibra,
ofrece una tensión de salida de 10mV/K, la conexión eléctrica del sensor se muestra en la
Figura 20.
Figura 20. Conexión del LM135.
44
Entrega a su salida un voltaje proporcional a la temperatura en ºK, (por lo que no es necesario
usar valores de tensión negativos, por no haber temperaturas bajo cero kelvin).
3.4.2 Sensor de humedad relativa
El sensor de humedad relativa modelo HIH-4602-L de Honeywell, su función esta con
base en la variación de la capacitancia interna entre dos placas (ver su estructura interna en la
Figura 21). El sustrato especial que se encuentra en la parte del centro sufre variaciones en su
espesor (se expande) de acuerdo con la humedad a la que se encuentre. Está sujeto por dos
placas, una de platino y una metálica las cuales forman un capacitor entre ellas. Debido a que
la capacitancia de un capacitor de placas paralelas es inversamente proporcional a la distancia
que hay entre sus placas, cuando el sustrato central sufre variaciones, también la capacitancia.
Por encima de la capa superior de platino, se encuentra una capa de polímero especial la cual
sirve de protección contra la suciedad, agentes corrosivos, etc.
Figura 21. Estructura interna del sensor de humedad 1.
3.4.3 Sensor de presión atmosférica
1 La construcción del sensor consiste en un condensador plano con una segunda capa de polímero para
proteger contra la mayoría de partículas como polvo, suciedad, aceites y otros factores.
45
El sensor MPX4115A de Freescale puede medir presión atmosférica (la elección del
tipo de sensor depende de la aplicación), que para este caso es de presión absoluta. Este sensor
funciona con base en un transductor piezoresistivo o también conocido como galga
extensiométrica. Esta galga se encuentra entre dos cámaras, los cuales cuando tienen
diferencia en presión hacen que esta se estire y, por lo tanto, cambie su resistencia eléctrica.
En la Figura 22, se muestran los detalles de su construcción. Se diseñó al utilizar un
piezorresistor monolítico de silicio, que genera una tensión de salida que se modifica con las
variaciones en la presión aplicada. El elemento resistivo, que constituye un indicador de
torsión, que se implanto iónicamente sobre un delgado diafragma de silicio.
Figura 22. Construcción interna del sensor.
La aplicación de presión sobre el diafragma tiene como resultado un cambio en la resistencia
en el indicador de torsión, que a su turno ocasiona la alteración en la tensión de salida en
proporción directa a la tensión mecánica aplicada. El indicador de torsión es una parte integral
del diafragma de silicio, de ahí que no hay efectos por temperatura ocasionados por
diferencias en la presión térmica del indicador de torsión y el diafragma. Los parámetros de
salida del indicador de torsión en sí mismo son dependientes de la temperatura, requiriendo
que el dispositivo sea compensado si se usa en un rango de temperaturas amplio. Se pueden
46
usar redes de resistores para rangos de temperaturas estrechos, por ejemplo 0ºC a 85ºC, en
rangos de temperatura de – 40 C a + 125 C, es necesario redes de compensación más amplias.
3.4.4 Sensor de velocidad del viento (Anemómetro)
El sensor 014A fabricado por Met-One es un anemómetro de tres copas de aluminio,
que se usa para medir velocidad del viento horizontal, la rotación de la rueda, abre y cierra un
Reed-Switch a una velocidad proporcional a la velocidad del viento.
3.4.5 Sensor de dirección del viento
Se seleccionó el sensor de dirección del viento el modelo 024A fabricado por Met-
One, que frecuentemente se usa en estaciones automáticas por diferentes fabricantes, entre
ellos esta Campbell Scientific Inc.
3.4.6 Sensor de radiación
El sensor SP-215 de APOGEE, mide la radiación solar entrante con un detector
fotovoltaico de silicio montado en una cabeza colectora de luz con coseno corregido. Esto es
para mantener su precisión cuando la radiación viene de bajos ángulos del zenit (Se
recomienda consultar su hoja de especificaciones).
3.4.7 Pluviómetro
El pluviómetro (TE525MM) es de registro electrónico tipo cazoletas basculantes, para
determinar la cantidad de lluvia precipitada. El agua de lluvia es captada por un primer
47
embudo superior con una embocadura metálica. El agua es guiada hasta un segundo embudo
con sistema de rebose destinado a disminuir los efectos de la inercia antes de alcanzar las
cazoletas basculantes. El primer evento se genera, cuando la cazoleta báscula, después de
recolectar una cantidad de agua, se posiciona la segunda cazoleta para recolectar el agua
procedente del embudo. Una vez llena, las cazoletas basculan en sentido contrario, y así se
produce un nuevo evento y repite el ciclo.
3.5 Materiales del diseño de los componentes
Los materiales que se usaron fueron para el desarrollo de los siguientes componentes:
Circuito electrónico
Sensores
Alimentación solar autónoma
Fuente conmutada
Para ver la lista de los materiales que se usó en cada uno de los componentes ver Tabla 13, en
la parte de resultados, donde además se incluyen los costos respectivos.
3.6 Diseño del PCB (circuitos impresos)
La fabricación de estos dispositivos se llevó a cabo utilizando como apoyo el software
de diseño electrónico PROTEUS VSM que permite el dibujo de diagramas esquemáticos y
circuitos impresos o PCB.
El diagrama electrónico, también conocido como un esquema eléctrico o esquemático que es
una representación pictórica de un circuito eléctrico. La Figura 23, muestra el diagrama del
48
circuito. Donde se indican los diferentes componentes del circuito de manera simple y con
pictogramas uniformes de acuerdo a normas, y a las conexiones de alimentación y de señal
entre los dispositivos. El arreglo de los componentes e interconexiones no corresponde a sus
ubicaciones físicas en el dispositivo terminado.
49
Figura 23. Diseño esquemático del circuito.
50
El PCB es un medio para sostener mecánicamente y conectar eléctricamente componentes
electrónicos, a través de rutas o pistas de material conductor, grabados desde placas de cobre
laminadas sobre un sustrato no conductor (véase Figura 24).
Este grabado se realizó con uso de hojas de papel couche brillante de dos caras y una
impresora láser. El tóner depositado en la hoja de transferencia pasa, mediante la aplicación de
calor, a una placa fenólica y queda impreso sobre la cara de cobre, este brinda protección a las
pistas contra el ataque químico de cloruro férrico, que se utiliza para disolver el excedente de
cobre del PCB, el resultado final, al remover el tóner, es la impresión del diseño.
Esta técnica, aunque presenta una calidad inferior comparada con la fabricación comercial,
resulta adecuada para prototipos de bajo costo.
51
Figura 24. Diseño del PCB.
52
Una vez terminada la elaboración del PCB se continuó con el montaje de los elementos
electrónicos. La tarjeta electrónica que se diseñó emplea componentes de montaje superficial
(ver Figura 25), y aunque requieren un esfuerzo mayor para su posicionamiento, esta técnica
ofrece un espacio menor que el uso de componentes de inserción.
Figura 25. Terminación de la PCB.
El siguiente paso es detectar el microcontrolador, para conocer si estaba listo para grabaciones
futuras de programa por medio del software Master-Prog.
3.7 Módulo fotovoltaico
Se seleccionó el modulo fotovoltaico modelo MSX-20 de Solarex, como fuentes de
energía 12VDC, con un peso de 2.1 Kg. Está formado por células solares de silicio
policristalino (36), lo cual lo hace eficiente, son resistentes e impermeables. Se forma por
cadenas de células laminadas entre hojas de E.V.A. (acetato de etileno-vinilo) con un sustrato
de acero inoxidable como encapsulante. En conjunto, se forma por un vidrio templado en su
cara frontal, y un polímero plástico (TEDLAR) en la cara posterior que proporciona
resistencia a los agentes ambientales y aislamiento eléctrico. El módulo viene con un diodo de
53
bloqueo integrado, que evita la descarga de la batería durante la noche o durante los períodos
de insolación pobre. El laminado se encaja en una estructura de aluminio anodizado. Las cajas
de terminales con protección IP-65, están hechas a partir de plásticos resistentes a
temperaturas elevadas y contienen los terminales, los bornes de conexión y los diodos de
protección (diodos de by-pass).
El marco dispone de varios agujeros para la fijación del módulo a la estructura soporte y su
puesta a tierra en caso de ser necesario. En la Figura 26, se puede apreciar el panel solar
ocupado para dichos propósitos, la Figura 27, es una vista frontal del panel con sus respectivas
dimensiones. Con condiciones de prueba estándar (STC) de 1000W/m2, AM 1.5, 25ºC.
Las características eléctricas son las siguiente: Tensión nominal (Vn) de 12V, con una
potencia máxima (Pmax) de 20W, voltaje de máxima potencia (Vmp) de 17.1V, corriente de
máxima potencia (Imp) de 1.17A, una potencia máxima mínima garantizada Pmax de 18W,
corriente de corto circuito (ISC) de 1.27A y voltaje de circuito abierto (VOC) de 20.8V.
Figura 26. Panel solar fotovoltaico MSX-20 de Solarex.
54
Figura 27. Vista frontal del panel solar, dimensiones [milímetros/ pulgadas].
Figura 28. Características V-I del panel solar fotovoltaico.
En la Figura 28, se aprecian curvas características (V-I) que definen el comportamiento de dos
diferentes modelos de panel solar fotovoltaico sometido a diferentes temperaturas según el
fabricante. En la Figura 29, se aprecian los parámetros que se mencionan a continuación:
- Intensidad de cortocircuito, “Icc” es aquella que se produce a tensión cero, esta puede ser
medida directamente con un amperímetro conectado a la salida de la célula solar y varía en
función de la superficie y de la radiación luminosa a la que es expuesta.
55
- Tensión de circuito abierto, “Vca” es aquella que se puede medir cuando no hay carga
conectada y representa la tensión máxima que puede dar una célula y su valor oscila alrededor
de los 0,5 V y depende de la temperatura a la que se encuentra.
- Potencia pico, “WP” es la potencia eléctrica máxima que puede suministrar una célula y es
determinado por el punto de la curva V-I donde el producto de la intensidad producida y la
tensión es máximo.
Figura 29. Curva característica entre la Intensidad de cortocircuito y la tensión de circuito abierto.
Dos conceptos fundamentales que hay que saber de una célula fotovoltaica son:
a) La tensión de circuito abierto varía en función de la temperatura, a menor temperatura
mayor tensión, pero aún determinado valor de ésta última, dicha tensión es constante
como se puede observar en la Figura 28.
b) La corriente de cortocircuito ICC suministrada por una célula solar es proporcional a la
intensidad de la radiación y a la superficie de la célula.
56
3.8 Batería
En el proyecto se utilizaron dos baterías (Energía-SOLAR) selladas, en la Figura 30, se
puede apreciar la batería utilizada, con una tensión de 6VDC, 12Ah y capacidad para 20 horas
de descarga, las cuales fueron conectadas en serie, de esta manera se incrementó el voltaje a
12 VDC, conservando la misma capacidad de carga. Las características: tensión nominal de
6V, capacidad nominal de 12Ah, con una vida útil de entre 6-8 años, con 1000 ciclos de
carga/descarga, y no tiene efecto memoria.
Figura 30. La batería.
Las baterías solares presentan particularidades especiales en relación con las baterías de
automoción, de tracción e incluso las estacionarias, a pesar de ser estas últimas las más
parecidas. Estas baterías deben tener una gran resistencia al ciclado, garantizar una vida útil
adecuada y minimizar el mantenimiento. Para el proyecto la batería es sellada, libre de
mantenimiento, en cuanto al electrolito, pues este se encuentra en forma de gel.
3.9 Controlador de carga
57
PWM (Pulse Width Modulation) modulación de anchura de pulso, es un método de transmitir
la información sobre una serie de pulsos. Los datos se transmiten y se codifican en la anchura
de estos pulsos para controlar la cantidad de energía que es enviada a una carga. Es decir la
modulación de anchura de pulso es una técnica de la modulación para generar pulsos variables
de la anchura para representar la amplitud de una señal análoga o de una onda de la entrada.
Los usos populares de la modulación de anchura de pulso están en entrega de energía,
regulación del voltaje y amplificación y los efectos audio.
La modulación de anchura de pulso es ampliamente utilizada en reguladores de voltaje.
Trabaja cambiando el voltaje a la carga con el ciclo de deber apropiado; la salida mantendrá
un voltaje en el nivel deseado.
El controlador (véase Figura 31) es un dispositivo que fue desarrollado de acuerdo con los
últimos estándares disponibles con un número de sobresalientes características tales como:
- 3 Leds para un claro, desplegado legible del estado de la carga.
- Señal acústica cuando el estado de la carga cambia.
- Compensación de temperatura.
- Protección electrónica completa.
- Diseño PWM en serie de voltaje constante para suministrar una carga de batería
altamente eficiente.
Figura 31. Controlador de carga.
58
El controlador de carga protege la batería de ser sobrecargada por el panel solar y de ser
descargada profundamente por la carga (ver Figura 32). Las características de carga incluyen
varias etapas que incluyen adaptación automática a la temperatura ambiente. El controlador de
carga es destinado para el uso en sistemas de voltaje de 12 volts.
Datos técnicos: Voltaje nominal de 12V, elevado de 14.5V, flotante de 13.7V, carga
desconectada de 11.5V, de carga reconectada de 12.5 V; Con corriente máxima del panel solar
de 2 A y máxima de la carga de 2A, con un peso de 200g, con dimensiones: 116.3 x 104.4 x
37.7 mm y opera dentro de intervalo de temperatura ambiente entre -40 a 50ºC.
Figura 32. Conexión del sistema solar fotovoltaico.
3.10 Comunicación via radio Xtend RF Module
Se usaron los módulos de radio frecuencia (Xtend RF Module) de la empresa DIGI
INTERNATIONAL INC, para la comunicación de datos inalámbricos. El módulo es fácil de
59
usar, requiere poca energía, proporciona una entrega confiable de datos críticos entre
dispositivos y su pequeña forma ahorra espacio valioso, (véase Figura 33).
Figura 33. Xtend RF Module (con RPSMA) Conector (izquierda) y Xtend RF Module (con MMCX) Conector
(derecha).
El módulo XTend utiliza FHSS (espectro ensanchado por salto de frecuencia) es hábil para
evitar interferencia por salto a una nueva frecuencia sobre todo paquete de transmisión o
retransmisión. Su potencia de transmisión es ajustable por software de 1mW a 1W, la máxima
potencia de salida permitida por los gobiernos que usan 900MHz como una banda de licencia
gratuita.
El dispositivo opera con base en la modulación FSK (Modulación por desplazamiento de
frecuencia) de datos provenientes de un host a través de formato serial (UART), trabaja en la
banda de frecuencias de radio ISM (Industrial científico y Medico) de 902 – 928 MHz, 915 –
928 MHz. Se configura en una red Point – to – Point (Punto a Punto) con una encriptación de
datos AES (Encriptación estándar avanzada).
Para la comunicación Serial, se usa el formato serial UART (Transmisor/Receptor Asíncrono
Universal) que utilizan 4 pines, 2 para la transmisión y recepción, 2 para las señales de
Control CTS y RTS como se muestra en la Figura 34.
60
Figura 34. Diagrama a bloques del sistema de comunicación.
En el diseño se ocupó la comunicación serial del PIC en modo Null-modem, por lo que las
señales de control CTS Y RTS se configuraron a cero (GND), de esta manera se indica la
posibilidad de transmitir o recibir datos en cualquier momento, además de contar con las
características comunes para la transmisión (velocidad: 9600 bps, Paridad: ninguna, Bits de
Parada: 1, Bits de datos: 8).
Modos de Operación, el Modulo XTend RF opera en 6 modos solo uno a la vez, Figura 35.
Como se muestra en la Figura 35, todos están enlazados en la operación, funcionamiento y
manejo de la transmisión del host y entre los módulos RF, sin embargo solo se mencionan en
el siguiente párrafo los que se utilizaron en el experimento.
61
Figura 35. Modos de operación del Módulo XTend RF.
Modo “Idle “, cuando no se reciben o transmiten datos, se encuentra en este modo. Es el modo
de espera que coordina los demás modos, es el principal de los modos y opera de manera
continua.
Modo de Transmisión, opera cuando el primer byte del dato serial es recibido desde la UART
en el pin buffer DI, información que proviene del host, con esto inicia la conexión RF con
otros módulos. Después de la transmisión regresa al modo de espera, se utiliza cuando se
envía la recopilación de datos de los sensores desde la unidad remota, y para enviar las señales
de censado desde la PC para la adquisición de datos.
Modo de Recepción. Si el módulo detecta datos RF (provenientes de otro módulo XTend), el
modulo pasa de modo espera a modo transmisión, para iniciar la recepción de los paquetes
RF. Además realiza un CRC (una redundancia cíclica) para asegurar que los datos fueron
62
transmitidos sin error. Este modo se utilizó para la unidad remota, recibir los datos de control
por parte de la PC, y para la PC recibir los datos de los sensores.
El rango de distancias se delimita con la velocidad de transferencia, la ocupada en el diseño es
de 9600 bps y conectado a una antena dipolar con una línea de vista se logra una distancia de
22 Km, según datos del fabricante. Para lograr la distancia antes mencionada el módulo se
tiene que alimentar a 5 Volts, con un consumo de 730 mA para la transmisión de datos, y 80
mA para la recepción (consumo nominal en operación). Las características de estos módulos
son las siguientes:
Características generales
Voltaje de suministro: 2.8 – 5.5 V
Corriente Rx: 80 mA
Corriente Tx (5V): 730 mA
Rango urbano: por encima de 3000 pies (900m)
Al aire libre rango línea de vista (antena con alta ganancia) por encima de 40 millas
(64 Km)
Al aire libre rango línea de vista (con 2.1 dB antena dipolar)por encima de 14 millas
(22 Km)
Transmisión de potencia de salida (seleccionable por software) 1mW–1W (0 dbm–30
dBm)
Interface velocidad de datos:10 – 230,400 bps
Redes y seguridad
Frecuencia: 902 – 908, 915 – 928 MHz variante internacional
Espectro disperso: FHSS (espectro ensanchado por salto de frecuencia)
Modulación: FSK (Modulación por desplazamiento de frecuencia)
Topologías de red: Igual a igual (“maestro/esclavo”)
Soportadas: (relación no requerida), punto a punto, punto a multipunto, red.
63
Propiedades físicas
Medidas del módulo: 3.65 cm x 6.05 cm x 0.51 cm
Peso: 18 gramos
Conector : 20 pines
Temperatura de operación: entre - 40 a 85 ºC (industrial)
Antena
Conector: RP-SMA (Polaridad invertida SMA) O MMCX
Impedancia: 50Ω desequilibrada
3.11 Software utilizado
3.11.1 Proteus VSM.
El software de diseño electrónico de LABCENTER ELECTRONICS ofrece la posibilidad
de simular código del microcontrolador de alto y bajo nivel y en paralelo, se hace la
simulación en modo mixto de SPICE que permite el diseño tanto a nivel hardware como
software y realizar la simulación en un mismo entorno. Para ello, cuenta con tres potentes sub
entornos como son el ISIS para el diseño gráfico, VSM (Virtual System Modelling) para la
simulación y el ARES para el diseño PCB de placas electrónicas (véase Figura 36). Con
Proteus VSM, el desarrollo del software se inicia tan pronto como se dibuja el esquema
electrónico y la combinación de software y hardware puede ser probada antes de montar el
prototipo.
Con las herramientas tradicionales de diseño, el desarrollo del software y la comprobación del
sistema no se pueden realizar, hasta que se desarrolla un prototipo real, por lo que se lleva
más tiempo, si se localiza algún error en el diseño de hardware, la totalidad del proceso se
debe repetir como se muestra en la Figura 37.
64
Figura 36. Proceso de simulación del diseño electrónico por medio de Proteus.
Figura 37. Proceso de diseño electrónico por medio de Proteus VSM.
3.11.2 Software ISIS.
Es un programa de diseño electrónico que permite realizar esquemas, que se pueden
simular en un entorno VSM (ver Figura 38) y pasar a un circuito impreso, en el entorno ARES
(véase Figura 39). Dispone de librerías de modelos tanto para dibujar, placas y de simulación,
además, permite la creación de nuevos componentes, su modelización para su simulación e
incluso, la posibilidad de solicitar al fabricante (Lab-center Electronics) que cree un nuevo
modelo [36].
65
Figura 38. Entorno de trabajo del programa ISIS.
Figura 39. Entorno de trabajo del programa ARES.
3.11.3 Compilador C de CCS.
66
El Compilador C de CCS se desarrolló para los PIC, así se obtiene la máxima optimización
del compilador con estos dispositivos. Dispone de librerías de funciones predefinidas,
comandos de preprocesado y ejemplos. Además, suministra los controladores (drivers) para
diversos dispositivos como LCD, convertidores A/D, relojes en tiempo real, EEPROM serie,
etc. El compilador CCS C es un cross-compiler que es un compilador que funciona en un
procesador (normalmente en un PC) diferente al procesador objeto, convierte el lenguaje de
alto nivel a instrucciones máquina. Los programas se editan, depurado (puntos de ruptura,
paso a paso, etc.) y compilan las instrucciones de máquina en el entorno de trabajo del PC. El
código de máquina se puede cargar de la PC al sistema PIC mediante el ICD2 (o mediante
cualquier programador). El C de CCS es C estándar y, además de las directivas estándar
(#include, etc.), suministra unas directivas específicas para PIC (#device, etc.); además
incluye funciones específicas (bit_set(), etc.). Suministra un editor que permite controlar la
sintaxis del programa. Para escribir un programa en C con el C CCS se deben tener en cuenta
una serie de elementos básicos de su estructura (véase Figura 40) [36].
Directivas de preprocesado: Controlan la conversión del programa a código máquina por
parte del compilador.
Programa o funciones: Conjunto de instrucciones. Puede haber uno o varios; en cualquier
caso siempre debe haber un definido como principal mediante la inclusión de la llamada
main().
Instrucciones: Indican cómo debe comportarse el PIC en todo momento.
Comentarios: Permiten describir/documentarlo que significa cada línea del programa.
67
Figura 40. Estructura básica de un programa en editor de CSS.
3.11.4 Software LabVIEW.
LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) es un lenguaje de
programación gráfico para el diseño de sistemas de adquisición de datos, instrumentación y
control. LabVIEW permite diseñar interfaces de usuario mediante una consola interactiva
basada en software. Se diseña un sistema específico totalmente funcional, su diagrama de
bloques o una notación de diseño de ingeniería. LabVIEW tiene su mayor aplicación en
sistemas de medición, como monitoreo de procesos y aplicaciones de control, p.e. en sistemas
de monitoreo en transportación, laboratorios para clases en universidades, procesos de control
industrial. LabVIEW se utiliza en el procesamiento digital de señales ondas, FFT, distorsión
armónica total (TDH), procesamiento en tiempo real de aplicaciones biomédicas,
manipulación de imágenes y audio, automatización, diseño de filtros digitales, generación de
señales, entre otras, etc. Es a la vez compatible con herramientas de desarrollo similares y
puede trabajar con programas de otra área de aplicación, como por ejemplo Matlab. Tiene la
ventaja de que permite una fácil integración con hardware, específicamente con tarjetas de
medición, adquisición y procesamiento de datos (incluyendo adquisición de imágenes).
68
Cuando se diseñan programas con LabVIEW se trabaja bajo algo denominado instrumento
virtual (VI), es decir, se pueden crear VIs a partir de especificaciones funcionales que se desee
diseñar. Este VI se puede utilizar en cualquier otra aplicación como una subfunción dentro de
un programa general. Los VI's se caracterizan por una integración de símbolo que se relaciona
con su funcionalidad, tiene una interfaz con el usuario, entradas con su color de identificación
de dato, tener una o varias salidas, que son reutilizables. La programación G (gráfica) de
LabVIEW consta de un panel frontal con controles e indicadores y un panel de código con
funciones (ver Figura 41 y 42, respectivamente). Cada control que se utiliza en la interfaz
tiene una representación en el panel de código, igualmente los indicadores necesarios para
entregar la información procesada al usuario tienen un icono que los identifica en el panel de
código o de programación [38] [39].
Figura 41. Panel Frontal de LabVIEW.
69
Figura 42. Diagrama de bloques del panel de código de LabVIEW.
3.11.5 Software Master-Prog
Este programa permite detectar el microcontrolador, verifica si ya está listo para
grabaciones de los programas (ver figura 43).
Figura 43. Prueba de detección del microcontrolador, por medio de Master-Prog.
70
3.11.6 PCWD IDE Compiler
Este software es un entorno de desarrollo, de depuración de aplicaciones
específicamente para la programación para la familia de los microcontroladores de Microchip
(PIC).
3.12 Resumen
El capítulo se refirió a los materiales y métodos que incluyó: la ubicación donde se
realizaron las pruebas, para la validación del sistema de telemetría y de la estación
meteorológica automática, se seleccionó el microcontrolador a usar, la selección de los
sensores para la integración de la EMA, el módulo solar fotovoltaico, la batería , el
controlador de carga para la unificación del sistema solar autónomo , software utilizado para
la fabricación del PCB, código fuente para el PIC, la programación gráfica para el diseño de la
HMI, por último el programa que permite detectar el Microcontrolador para las grabaciones
de los programas.
CAPÍTULO 4. RESULTADOS
En el presente capítulo se indican los resultados obtenidos del trabajo, estos se describen
en diversas fases:
Se hace un análisis de las características principales que se consideraron en el
desarrollo de la estación automática, desde el microcontrolador, un análisis de los
sensores donde se consideran los puntos relevantes para su calibración.
El diseño del suministro de energía.
La estimación de los consumos promedio de energía que se debe considerar para el
diseño del subsistema de alimentación solar autónomo.
71
Diseño y desarrollo de la estación meteorológica automática (EMA), con su
respectivos componentes Alimentación solar autónoma, adquisición, envío y
recepción de datos (pruebas de comunicación RF), Human Machine Interface (HMI)-
Visualización y el almacenamiento de datos.
Las pruebas de hardware y software.
Evaluación de los sensores meteorológicos con el instrumental meteorológico
tradicional por medio de una comparación lineal, así mismo con la información de la
estación meteorológica Automática de Campbell Scientific o bien con un instrumento
de referencia.
La presentación sobre el diseño del software.
Un análisis de costos por componente, con el fin de tener elementos necesarios para
una evaluación económica.
4.1 Caracterización del microcontrolador
El microcontrolar que se seleccionó realiza funciones de acuerdo a su programación. En la
Figura 44, se aprecian sus pines, de un encapsulado TQFP 44, que se ocupó en el presente
trabajo.
72
Figura 44. Encapsulamiento y pines del microcontrolador.
Para mayor detalle consultar el apartado 4.7.2, donde se describe el sistema de adquisición de
datos.
4.2 Consideraciones sobre la calibración de los sensores
meteorológicos
73
4.2.1 Sensor de temperatura
Para la calibración del sensor el fabricante recomienda usar el resistor variable de 10K,
en este caso, se utilizó un preset de precisión de 10 vueltas para una mejor calibración. El
dispositivo opera sobre un rango de corriente de 400uA hasta 5mA, por lo tanto sí:
Se propone Is = 2.5mA
(2)
Cuando se calibra el sensor a una temperatura de 25 ºC, el error máximo que se puede tener
en temperaturas extremas como 100 ºC, es de 1 ºC. Cabe mencionar que el voltaje de salida
del sensor se estabiliza en unos tres segundos, en el caso de la meteorología no es
significativo dado que la temperatura ambiental sufre variaciones muy lentamente. El sensor
puede medir rangos de temperatura desde los -50 ºC hasta los 150 ºC.
En la integración del sensor en la estación meteorológica, se utilizan las unidades del sistema
internacional. Las unidades más frecuentes de la temperatura son los grados Centígrados, en
lugar del Kelvin, que se puede convertir por programación del microcontrolador, en grados
Centígrados o Fahrenheit, por medio de las siguientes ecuaciones:
(3)
La impedancia afecta al voltaje, en la entrada analógica del microcontrolador (debido a una
corriente de fuga). La máxima impedancia que se recomienda para señales analógicas es
2.5KΩ, debido a esto, la salida del sensor pasa por un amplificador operacional LMC6482. Lo
KKmA
V
Is
VR 2.22
5.255
32 Cº 1.8 Fº273-Kº Cº
74
anterior ayuda en la calibración del sensor, el acoplamiento al A/D y para obtener el máximo
rango dinámico de señal. El microcontrolador tiene un A/D con una resolución de 12 bits esto
es: 212= 4096 LSB.
La tensión de la fuente de alimentación del A/D, es de 5 volts, por lo tanto la resolución en
volts es de:
(4)
Es decir sí el sensor ya está calibrado y entrega a su salida exactamente: 10 mV/K, es decir,
cada K equivale a 10 mV, para que el convertidor del uC sufra un cambio en 1 LSB, debe de
haber un incremento de 1.22 mV.
Para mostrar la temperatura en K, solo se debe visualizar o imprimir el valor que se encuentra
en el registro del A/D. Si se quiere la temperatura en otras unidades (Fahrenheit, Rankin,
Centígrados), solo se debe usar las ecuaciones correspondientes de conversión en el registro
del A/D, incluso se puede mostrar los resultados en pantalla al mismo tiempo.
4.2.2 Sensor de humedad relativa
El sensor en su interior contiene un circuito que traduce esa capacitancia en una
tensión variable que es lineal a la humedad relativa del ambiente.
Así se tiene que:
LSBAD
AD mVVV
RES 22.140965
4096
75
, a 25ºC (5)
Dónde: Vs Es la tensión de salida del sensor
Vcc Es la tensión de alimentación del sensor
SensorRH Es la humedad relativa en %
Si la fuente de alimentación de 5 volts (la que se usa) la ecuación se reduce a:
(6)
La humedad relativa que mide el sensor tiene pequeñas variaciones con la temperatura, para
ello se emplea una ecuación de compensación por temperatura, así la humedad relativa real
es:
la T en ºC (7)
Esta operación se lleva a cabo en el microcontrolador, ya que hasta este punto se tiene el dato
de la temperatura. Para llevar la señal de salida del sensor al convertidor A/D del
microcontrolador, es necesario pasar esta señal a través del LMC6482.
Sí la humedad relativa es de 1%, entonces la tensión de salida del sensor cuando este se
alimenta con 5V será:
(8)
16.00062.0 SensorRHVV ccs
8.0031.0 SensorRHVs
T
SensorRHTrueRH 00216.00546.1
831V . 0 8 . 0 ) 1 ( 031 . 0 8 . 0 031 . 0
s s
V SensorRH V
76
En las ecuaciones anteriores se puede ver que cada 1% de RH, la tensión de salida del sensor
varia 831mV, pues el termino 0.8 es constante. Es decir, por cada incremento de 831mV a la
salida del sensor, tendremos un incremento de 1LSB en la entrada del convertidor A/D del
microcontrolador o cada 1% de RH, habrá un incremento de 1LSB.
El sensor tiene una exactitud de +/- 3% RH, cuando esta calibrado, donde la calibración
depende directamente de la compensación por temperatura que realiza el microcontrolador.
Existe también otra forma de calibrar el sensor, una es través del fabricante quien no solo
ajusta internamente al sensor sino que también anexa una hoja de datos con las características.
Hasta este punto ya tenemos la señal analógica correspondiente a la humedad relativa, de aquí
en adelante solo se requiere convertirla en forma digital y procesarla, tarea que realiza el
microcontrolador.
El microcontrolador también es el encargado de realizar las conversiones entre las diferentes
unidades, pero la humedad relativa (RH) realmente no tiene unidades pues solo representa un
porcentaje (porcentaje de vapor de agua en el aire con respecto al máximo que puede retener a
una temperatura), así que el microcontrolador no tiene que hacer más cálculos que los
necesarios para la compensación en temperatura.
4.2.3 Sensor de presión atmosférica
Debido a que los rangos de presión involucrados con medida de presión barométrica
son de 69KPa a 105KPa, este sistema empleara un MPX4115A (absoluto con un solo puerto).
Este dispositivo producirá una salida de voltaje lineal en el rango de presión de 15 a 115 KPa.
Se medirá la presión del medio ambiente que se aplica a un solo cuerpo con respecto a una
77
cavidad evacuada (referencia al vacío) el sensor opera a un voltaje de suministro de 5V. La
salida del sensor tiene un margen de escala de 0.2 a 4.8 V. Además el sensor de presión
entrega a la salida niveles compatibles con el A/D del uC.
La resolución proporcionada por el convertidor A/D de 12 bits con las referencias de voltaje
bajo y alto de 0 y 5 volts respectivamente.
Así se tiene que la función de transferencia para este sensor:
(9)
Dónde: Vs Es la tensión de salida del sensor.
Vcc Es la tensión de alimentación del sensor
Presión Es la presión barométrica aplicada al sensor [KPa]
Si se utiliza una fuente de alimentación de 5 V, con lo cual nuestra ecuación se reduce a:
(10)
Para la calibración del sensor, para el acoplamiento al A/D del microcontrolador la señal de
salida pasa por el LMC6482.
Si tenemos una presión de 15KPa, la tensión de salida del sensor de presión cuando esta
alimentado con 5 V será de:
095.0Pr009.0 esiónVV ccs
475.0Pr045.0 esiónVs
78
(11)
En la ecuación anterior se observa que la tensión del sensor variará 200mV por cada KPa pues
el término 0.475v es constante, es decir, por cada KPa a partir de 15KPa habrá un incremento
de 1LSB.
El sensor MPX4115A tiene una exactitud de +/- 0.1125 KPa, cuando esta calibrado.
Figura 45. Circuito filtro de desacoplamiento.
La Figura 45, se muestra un circuito filtro de desacoplamiento típico para impedir las
interacciones entre la conexión de salida del sensor de presión a la entrada del A/D del uC.
Por este circuito pasa la señal analógica para la medición de la presión barométrica, la
programación del microcontrolador se encargara de desplegar las diferentes unidades a
representar la presión.
mVV
esiónV
s
s
200475.015045.0475.0Pr045.0
79
4.2.4 Sensor de velocidad del viento (Anemómetro)
El sensor (Met-One 014A) es un anemómetro de tres copas de aluminio, que es usado
para medir velocidad del viento horizontal. La rotación de la rueda, abre y cierra un reed
switch a una velocidad proporcional a la velocidad del viento. Se instaló una fuente de 5VDC
con el reed switch en serie, se conectó una sonda en paralelo con lo anterior, conectada a un
osciloscopio Tektronix TDS2014C como se muestra en la Figura 46. En la Figura 47, el
osciloscopio detectó un disparo en un tiempo de 50ns y como se puede apreciar, el reed
switch, no tiene ningún rebote que pueda afectar la medición.
Figura 46. Prueba del anemómetro.
Figura 47. Anemómetro y su respuesta en el osciloscopio.
80
4.2.5 Sensor de dirección del viento
El sensor de dirección del viento (Met-One 024A), usa una veleta que proporciona un
valor de voltaje en DC, esta tensión es entregada por un potenciómetro (10KΩ) movido por la
veleta, la tensión análoga es convertida por el uC.
Dependiendo de su posición, toma los valores de 0 a 2.5V, para un rango de 0º a 360º
respectivamente. En la Figura 48, se muestra el diagrama de conexiones del sensor y en la
Figura 49, se aprecian los valores de la dirección el viento en función del tiempo.
Figura 48. Diagrama de conexiones del sensor de dirección del viento.
El norte verdadero se encuentra usualmente con una brújula magnética y aplicar la corrección
por declinación magnética; donde esta es el número de grados entre norte verdadero y norte
magnético.
81
Figura 49. Dirección del viento en función del tiempo.
La orientación del sensor es fácilmente hecha con dos personas, una que direcciona y ajusta el
sensor, mientras la otra observa la dirección del viento que despliega. Es necesario establecer
un punto de referencia sobre el horizonte para el norte verdadero.
4.2.6 Sensor de radiación
La salida del detector es una corriente, que es invertida a voltaje por un potenciómetro
insertado en la cabeza del sensor. La resistencia del potenciómetro se ajusta cuando el sensor
es calibrado. En la Figura 50, se muestra el diagrama de conexión del sensor. Es diseñado para
uso continuo al aire libre, puede ser sumergido dentro del agua y tiene una precisión absoluta
± 5%.
Figura 50. Diagrama del sensor SP-215 de APOGEE.
82
Para la calibración, el sensor tiene un factor de conversión de exactitud, esto es:
0.25 W/m2 por mV
Multiplicando la señal de salida del sensor por el factor de conversión, se obtiene la radiación
en W/m2, entonces quedaría de la siguiente manera:
Radiación solar = salida del sensor * factor de conversión
Para el acoplamiento con el A/D del uC, es necesario pasar la señal de salida del sensor, por el
amplificador operacional LMC6482, además que se obtiene su máximo rango dinámico de
señal.
4.2.7 Pluviómetro
Se usa un interruptor de cierre por cada evento, una acumulación de carga podría
causar un arco cuando el interruptor cierra, acortando la vida de este. Una resistencia de 100Ω
es conectada en serie al interruptor para prevenir un arco por la limitación de la corriente
como se muestra en la Figura 51.
Figura 51. Diagrama eléctrico del pluviómetro.
83
Para medir la lámina mínima, factor que permite calcular la lámina total al multiplicarse por el
conteo de eventos (Ne) en un inérvalo de tiempo, se necesita conocer el volumen unitario y el
diámetro de captación del pluviómetro. Para obtener el volumen unitario (Vu) se aplica un
volumen de agua conocido en la cazoleta hasta llenarlo y este representa el volumen unitario.
El diámetro se mide del área de captación del pluviómetro.
Figura 52. Volumen unitario, registro de un volcamiento.
Diámetro
Figura 53. Diámetro del pluviómetro.
A partir del diámetro del pluviómetro, para obtener el área de captación, se obtienen el radio
(diámetro/2) al cuadrado y lo multiplicamos por π (3.1416…) . Al dividir el
volumen unitario entre el área de captación se obtiene la lámina mínima (en cm o mm,
preferentemente en mm) como se indica:
22rAc
84
(12)
Dónde: Lm = Lámina mínima
Vu = Volumen unitario
Ac = Área de captación
Ahora para obtener la lámina de lluvia total en un tiempo, se multiplica la lámina mínima por
el número de eventos (Ne) o cierres de circuito como:
(13)
Dónde: L = Lámina total en un intervalo de tiempo (hora, día, etc).
NE = Número de eventos
Lm = Lámina mínima
La señal se envía a un NE555 que generara un retraso de 200ms y a su vez, elimina los rebotes
que genera el interruptor, Figura 54. Por último la señal se envía al uC que es el encargado de
registrar los eventos.
Figura. 54.Eliminación de rebotes generados por el pluviómetro.
cmcm
cm
A
VL
c
um 2
3
mE LNL
85
4.3 Diseño de la fuente digital de energía
La fuente de energía (ver Figura 55), para el sistema de adquisición y los sensores, se
inició con el cálculo del regulador reductor, como se indica a continuación.
Un regulador reductor tiene un voltaje de entrada VE = 12V, con un voltaje promedio
requerido de salida es Vs = 5V con R = 500 Ω y un voltaje de rizo pico a pico de salida de 20
mV. La frecuencia de conmutación es de 24.2 KHz. Si la corriente de rizo pico a pico del
inductor limita a 0.8 A, calcular:
El ciclo de trabajo K
a) La inductancia L del filtro
b) El capacitor C del filtro
c) Valores críticos de L y C
a) De la ecuación: (14)
Se despeja K:
b) De la siguiente formula se despeja L:
(15)
ES KVV
E
S
V
VK %67.414167.0
125
E
SES
fLV
VVVI
V V kHz f A I mV V V V S C E 5 , 24.2 , 8 . 0 , 20 , 12
86
c) De la siguiente ecuación :
(16)
d) Para calcular los valores críticos:
(17)
(18)
Figura. 55. Fuente conmutada de energía.
Se obtuvo una bobina de 150uH, esta se consiguió en la tienda Newark (mexico.newark.com),
que vende bobinas a valores establecidos.
CVf
IC
8
nfCC 18.694284000
5833.202500000000291.016
4167.01
uH L 65 . 150
232320 35
12 24200 8 . 0 5 12 5
uf C 206 3872
8 . 0 24200 20 8
8 . 0 3
mH
f R K
L C 02 . 6 48400
65 . 291 24200 2
500 4167 . 0 1 2
1
87
4.4 Consumo promedio de los dispositivos electrónicos
Se evaluó el consumo promedio de los dispositivos electrónicos, a partir de las
características eléctricas que se recuperó de la información técnica de cada uno, y así se
obtuvo la potencia, los watts-hora/día y la energía total consumida en el día. También se
estimó el consumo bimestral y el total a pagar, si te cobraran por kW a $0.73, según la CFE,
aunque no se consuman los primeros 50 kW, cobra la tarifa básica lo cual se estaría pagando
$36.95 MXN.
Tabla 1. Evaluación del consumo de energía promedio.
Elemento Cantidad Voltaje
[V]
Corriente
[A]
Potencia
[W]
h/día Wh/día
Microcontrolador PIC 18F4553 1 5 0.004 0.02 24 0.48
Radio Modulo RF 1 5 0.03 0.15 24 3.6
Anemómetro 1 5 0.001 0.005 24 0.12
HIH-4612 1 5 0.0002 0.001 24 0.024
Piranómetro 1 5 0.000285 0.001425 24 0.0342
MPX4115A 1 5 0.01 0.05 24 1.2
LM135 1 5 0.05 0.025 24 0.06
Controlador 1 12 0.015 0.18 24 4.32
Regulador 1 13.96 0.06 0.72 24 17.28
Otros - 5 0.03 0.15 24 3.6
Energía total consumida en el día 25.7382 Consumo bimestral 1544.29 Conversión a kWh 1.54429 Tarifa básica por cada uno de los primeros 50kW/h $ 0.73 Total a pagar/día $ 1.11
4.5 Diseño del subsistema de alimentación solar autónomo
El sistema de alimentación solar autónomo, proporciona la alimentación de 5 volts en
DC, al sistema de adquisición de datos, subsistema de sensores y control. Por las
características de la estación meteorológica, se requiere su funcionamiento las 24 horas del día
88
con 4 días de autonomía para descargar a un 50 % la batería, por lo que se considera dicha
alimentación por medio de energía fotovoltaica. En la Tabla 2, se aprecia el consumo que se
midió, y de otros agentes, por lo que se requiere de 22.5 Wh/día.
Tabla 2. Dimensionamiento del sistema autónomo en función de la energía.
Elemento Voltaje (V)
Corriente (A)
Potencia (W)
h/día Wh/día2
Regulador 13.96 0.06 0.8376 24 20.1
Otros 5 0.015 0.075 24 1.8
Energía diaria (Wh/día) 22.5024
Otro forma para la estimación del consumo por día es: sí se propone una tensión nominal de la
batería de 12.5V, con 4 días de autonomía (los cuales descargan a un 50 % la batería), con 4.5
horas de radiación promedio disponibles en el sitio en que trabaja o se trabajará el sistema. La
potencia promedio se obtiene de la suma de las potencias que se muestra en la Tabla 2.
Energía diaria = #unidades * Potencia promedio de consumo * Horas de uso (19)
Energía diaria = 1 * 0.9126 * 24
Energía diaria= 21.9024 Wh/día
Energía diaria en días = Energía diaria * Días de autonomía (20)
Energía diaria = 21.9024 Wh/día * 4
Energía diaria total (en 4 días) = 87.6096 Wh/días
Ahora para conocer la potencia que necesitará del panel solar, se divide la energía diaria total
en días entre las horas de radiación de un día promedio. Además de debe de considerar la
suciedad, más las pérdidas del panel, así se obtienen los siguientes resultados:
2 Wh = Es la potencia que se consume en horas.
Wh/dia = El watt-hora es proporcional a los días, solo para el manejo del dato.
89
Calculo del panel solar:
Potencia = Energía diaria total (en días) / Radiación de un día promedio en horas (21)
Potencia = 87.60 Wh/días / 5.6 h
Potencia = 15.64 W
Considerando suciedad 10%, más perdidas del panel 15% en su capacidad.
Ideal = 18.14 W
Por último se necesita conocer la corriente nominal que tendrá la batería, de igual manera
que el paso anterior, se divide la energía diaria en días entre el voltaje de la batería, el
resultado que se obtiene, se duplica para descargar nuestra batería a un 50%, de esta manera
aumentaremos la vida útil, por lo tanto este valor será la corriente nominal de nuestro
acumulador.
Cálculo de la corriente nominal de la batería:
Corriente nominal = Energía diaria en días / Voltaje de la batería (22)
Corriente nominal = 87.60 Wh/días / 12.5 = 7.0087 * 2 = 14.01 Ah
Entonces las características eléctricas que tendrá nuestro acumulador, 12Volts de DC con una
corriente nominal de 14Ah, la más aproximada que venden en el mercado es 12Volts de DC
con 12Ah, por lo que se usaron dos a 6 volts 12 amperes conectadas en serie.
4.7 Diseño y desarrollo de la estación meteorológica automática (EMA)
A continuación se listan los módulos que integran la estación meteorológica automática
(EMA) que posteriormente se describen, los módulos de:
Alimentación solar autónoma.
Adquisición.
90
Envío y recepción de datos.
Human Machine Interface (HMI)-Visualización.
Almacenamiento de datos.
4.7.1 Alimentación solar autónoma
El sistema de alimentación solar desarrollado se integra por el módulo fotovoltaico,
baterías (conectadas en serie), el controlador y el panel solar, se montaron en una estructura,
que se conectó al controlador ENESOL de 2A a 12V. Dicho controlador de carga está
equipado con un sistema a voltaje bajo, que desconecta la carga de salida si el voltaje en la
batería es menor a 11.5V, también protege la batería contra una descarga alta, todo en forma
automática (ver Figura 56).
La batería alcanzó un voltaje de 12.5V, y la carga conectada mantiene un voltaje flotante de
13.96V con una corriente de carga mínima, como se indicó en el capítulo anterior.
Para evaluar el sistema de alimentación solar se midió el voltaje y la corriente, a la entrada y
a la salida de la fuente conmutada, que es la encargada de suministrar la energía necesaria
para que los módulos electrónicos funcionaran adecuadamente. Los datos se muestran en la
Tabla 3, con el fin de evaluar los valores de operación que corresponden a los de diseño.
Tabla 3. Valores medidos con el multímetro en la fuente conmutada.
Voltaje de entrada 13.96 V Corriente de entrada 0.06 mA
Voltaje de salida 5.03 V Corriente de salida 0.12 mA
Eficiencia 72.06 %
91
Figura 56. Pruebas de la alimentación solar autónoma desarrollada.
4.7.2 Adquisición de datos
Con el fin de medir las condiciones de ambiente (temperatura, humedad relativa,
radiación solar, presión atmosférica etc.) se requirió de un módulo de adquisición de datos, se
describen algunas de sus características del mismo.
4.7.2.1 Conversores análogos digitales
La información que se recibe a partir de los sensores, se procesa primero, para
después transmitirse, esto lo realiza el microcontrolador. Para la captura de los datos
analógicos, se utilizó un convertidor analógico/digital (A/D) interno, con una resolución de
12 bits, este convertidor esta multiplexado con 13 entradas de las cuales sólo se utilizaron
cinco.
92
Se usó el microcontrolador 18F4553, que tiene varias opciones para trabajar con el
convertidor A/D, que es por medio de las interrupciones. La velocidad de conversión es
variable aunque de acuerdo al fabricante, no toma más de 100us. El microcontrolador cuenta
con una función de TIMER, que se utilizó para la adquisición de datos, de los cuales se usó el
TMR0 y TMR1 de 8 y 16 bits respectivamente. Estos contadores o TIMERS se usaron como
contadores de eventos.
Para comprobar que el dato que recibe el PIC es proporcional al voltaje que se aplica al
conversor análogo-digital se realizó lo siguiente:
Sí se conoce que el microcontrolador necesita dos voltajes de referencia para realizar la
conversión, en el presente proyecto este voltaje es el mismo que se aplicó al microcontrolador,
el voltaje referencial positivo (5V) y el voltaje referencial negativo (0V); es decir, que cuando
el voltaje aplicado al conversor sea cero, se tendrá 0 bits y cuando el voltaje sea cinco se
tendrá 4095, 212.
El voltaje de referencia se debe mantener constante ya que una variación del mismo acarreará
un error, que se traduce en una medición equivocada, esto se puede comprobar con la
ecuación siguiente:
(23)
Como ejemplo, sí se tiene un voltaje en el sensor de 2.78V con un Vref de 5V, el valor en el
registro del AD será de aproximadamente 2276, pero si por alguna razón el voltaje aplicado al
microcontrolador variara a 4.5V el valor en dicho registro seria de 2529 lo cual es incorrecto.
93
Entre los posibles errores que se pueden presentar al operar con los conversores ADC pueden
ser la excesiva variación o inestabilidad de los datos, debido a la presencia de ruido en la señal
proveniente del sensor.
Sí la variable tiene tendencia a cambios bruscos, la forma de estabilizar la señal es conectar
en paralelo con la salida del sensor, un capacitor electrolítico el cual atenúa el rizado que se
presenta en la señal. De múltiples pruebas que se realizaron se determinó que el capacitor que
más atenúa el rizado es el de 10 uf, también se puede disminuir esta inestabilidad de la señal
por software.
Se debe tener cuidado de no ingresar un voltaje superior a 5 voltios a los pines
correspondientes a los conversores ADC ya que provocaría que éstos se averíen.
4.7.2.2 Pruebas de la transmisión serial
En el presente proyecto se hicieron las pruebas de transmisión serial de datos para un
correcto funcionamiento de la transmisión con el mencionado objetivo, para esto se realizó lo
siguiente:
Se colocó en las entradas analógicas del microcontrolador cinco potenciómetros, que se les
fijo un valor de voltaje de 3V, también se colocaron dos multivibradores a las entradas de los
contadores con el fin de detectar pulsos en estos. En el microcontrolador se almacenó un
programa para leer los cinco canales analógicos, los contadores y que enviarán los datos en
serie, es decir uno detrás de otro, a una velocidad de 9600 baudios. Con la ayuda del
programa Tera Term, se recibió una cadena de 22 caracteres una y otra vez (p.e.
2457245724572457245700), con lo que se comprobó el correcto funcionamiento de la interfaz
94
serial; en el programa final del microcontrolador se decidió empaquetar los datos en bloques
constantes.
4.7.2.3 Prueba del Hardware
Esta prueba se realizó con el fin de comprobar que el módulo envié los datos, la prueba
consistió en:
a) Se abrió el programa Tera Term o Hyperterminal.
b) Se pulsó el botón de inicio de transmisión.
c) Se revisó que la cadena de datos no presente símbolos extraños.
d) Se verifico que la cadena de datos que se recibe es correcta (al ser igual a la que se
programó en el PC), por lo que se concluyó que el hardware funciona correctamente.
Figura 57. Cadena de datos recibida en Hyperterminal.
En la Figura 57, se puede observar dicha cadena de datos recibida, no presenta errores (que se
indica con caracteres inválidos), en su estructura en la parte superior de la misma se puede ver
95
la configuración del puerto para la recepción de datos (COM17), 9600bps de velocidad, cada
digito a ocho bits, sin paridad, un BIT de parada.
Se puede concluir que el hardware funciona correctamente.
4.7.2.4 Prueba del software
Para comprobar el correcto funcionamiento del software se realizó los siguientes pasos.
a) Se abrió el programa en LabView y se puso en modo de ejecución.
b) Se pulsó el botón de inicio de la descarga.
c) Se comprobó que la cadena de datos recibida en LabView, fue la misma que se recibió
en el programa Hyperterminal.
d) Al abrir el archivo que se creó, se comprobaron que los datos estén separados
correctamente.
En la Figura 58, se muestra la cadena de datos, que se recibió en LabView y en la Figura 59,
contiene la cadena recibida en la Hyperterminal.
96
Figura 58. Cadena de datos recibida en LabVIEW.
Figura 59. Cadena de datos en Hyperterminal, en diferente tiempo.
Si se compara las cadenas recibidas en estos dos programas, se observa que no son iguales,
debido a que estas pruebas se realizaron ya funcionando la estación en diferentes tiempos, por
lo que se puede concluir que el software recibe correctamente los datos desde el puerto serie.
97
En la Figura 60, se observan los datos del archivo de texto al que se le llamo “prueba1.txt”,
donde muestra los datos separados.
Figura 60. Página de datos, archivo “prueba1.txt”.
4.7.3 Envío y recepción de datos
4.7.3.1 Pruebas de recepción de datos vía radio frecuencia (RF)
Para comprobar que los datos lleguen en forma correcta se puso en funcionamiento el
módulo de campo y se movió el receptor a diferentes posiciones. En el computador se puede
observar la llegada de las cadenas de datos por medio del programa Hyperterminal. De las
pruebas que se realizaron se extrajo la información que proporciona el fabricante, que fue
presentada en el apartado 3.10, estos valores pueden variar de un lugar a otro, dependiendo de
la contaminación RF presente en el lugar.
98
Se entiende por contaminación RF a la cantidad de emisiones de radio frecuencia presentes en
el sitio, esto debido a plantas industriales cercanas (motores), líneas de alta tensión, antenas
de operadoras móviles, emisoras de radio, televisoras,.. etc., que pueden causar interferencia
en el flujo normal de datos.
De acuerdo con la Fórmula (1) para calcular la zona de Fresnel, se aplicó al sistema de
transmisores, para que estos se mantuvieran libres de obstrucciones a una altura de:
La distancia máxima de donde se transmitió la información entre las antenas (respecto al
emisor) sin errores fue de 1.01 km, sin línea de vista (ver Figura 61). La distancia de
operación de transmisión de datos en el área de estudio es de 40 metros.
f
Dr
432.17
928.404.32.17r
mr 80.1
99
Figura 61. Distancia máxima para la comunicación entre las antenas (sobre maps de Google Earth).
4.7.4 Interface Máquina-Humano (HMI)- Visualización
Se creó una aplicación, la cual tuvo como primera función leer el archivo que se creó
por la HMI (este archivo contiene los datos leídos por los sensores de campo); en segundo
lugar fue darle un formato a los datos antes de que se almacenen (ya que la estación envía la
información organizada en formato de texto). Para mayor detalle del funcionamiento del
sistema de monitoreo ver el apartado 4.9.2.
100
Figura 62. Captura de datos desde LabVIEW.
101
4.7.5 Almacenamiento de datos
Finalmente los datos se almacenan en una base de datos (MySQL), ver Figura 63, la
información del archivo se actualiza y se reemplaza cada vez que se tiene nueva información
por medio de un software que se desarrollado en un ambiente de Visual Basic 2010 Express.
Este software se ejecuta como una tarea dentro del administrador de tareas cada cierto tiempo
que uno requiera.
Figura 63. Información de la estación meteorológica dentro de la base de datos.
Para comprobar que los datos son correctos se tomó una lectura desde LabVIEW como se
muestra en la Figura 62, que corresponden a los datos que se aprecian en la Figura 64 en el
último renglón, de esta forma se demuestra que los datos se guardaron correctamente en la
base de datos MySQL.
102
Figura 64. Almacenamiento de datos en MySQL.
103
4.8 Evaluación de los sensores
En base a la experiencia de los trabajos supervisados por el Dr. Abel Quevedo Nolasco
[36], [40], [41] y al éxito obtenido, se prepuso el método de caracterización para la evaluación
de cada de uno de los sensores.
4.8.1 Sensor de temperatura
Para esto se compararon las lecturas del sensor de temperatura electrónico con el de
temperatura del bulbo seco (del psicrómetro ventilado tipo Assman, como instrumento de
referencia, ver Figura 67). Se tomaron las lecturas durante tres días a cada 15 minutos, en
diferentes horas del día, en la Tabla 4, se muestra la información que se recolecto. Se debe
subrayar que el rango de temperaturas en el que se aplicó la prueba fue entre 15 y 22 grados
centígrados, además que la resolución de ambos instrumentos es diferente y ambos
instrumentos se colocaron muy cerca uno del otro. La información se ajustó a una regresión
lineal, donde se obtuvo el modelo siguiente (Figura 65):
T bulbo seco = 0.8656 (Tsensor) + 2.1686 con r2 = 0.9277
Se observa que la temperatura del sensor sobreestima en promedio 2.1 grados con respecto al
termómetro de referencia, con un coeficiente de determinación de 0.9277.
104
Figura 65. Relación entre las temperaturas del sensor (LM135H) y del bulbo seco del Psicrómetro.
De manera similar se comparó la temperatura del bulbo seco (del Psicrómetro) con el sensor
de temperatura de la estación automática de Campbell. En este caso con menos datos, la
estación Campbell registra la información cada hora. Dichos datos se ajustaron a una
regresión lineal:
T bulbo seco = 1.2353 (Campbell) - 3.5294 con r2 = 0.87442
En este caso el sensor de temperatura de la estación Campbell Scientific está en promedio
3.52 grados por debajo de la temperatura de referencia, con un coeficiente de determinación
de 0.87442.
y = 0.8656x + 2.1686 R² = 0.9277
13
15
17
19
21
23
25
13 15 17 19 21 23 25
LM135H
Psi
cróm
etro
105
Figura 66. Relación entre las temperaturas del sensor de la estación Campbell y el Psicrómetro.
Figura 67. Psicrómetro ventilado tipo Assman.
Tabla 4. Temperaturas del sensor electrónico, Campbell scientific y de referencia
3.
Fecha Hora Ts [C] Campbell [C] T referencia [C]
10/08/12 14:00 19 18 19
10/08/12 14:15 19 19 10/08/12 14:30 20 19
10/08/12 14:45 20
19
10/08/12 15:00 20 19 19
10/08/12 15:15 20 20
10/08/12 15:30 20 19
y = 1.2353x - 3.5294 R² = 0.8744
14
15
16
17
18
19
20
21
22
14 15 16 17 18 19 20 21
Sensor de temperatura Campbell
Psi
cró
met
ro
106
10/08/12 15:45 20 20
10/08/12 16:00 21 19 21
10/08/12 16:15 22 22
10/08/12 16:30 21 20
10/08/12 16:45 21 20
10/08/12 17:00 21 21
12/08/12 17:00 22 19 21
12/08/12 17:15 22 21
12/08/12 17:30 22 21
12/08/12 17:45 22 21
12/08/12 18:00 20 19 19 12/08/12 18:15 20 20
12/08/12 18:30 20 19
12/08/12 18:45 19 19
12/08/12 19:00 20 18 19
12/08/12 19:15 19 19
12/08/12 19:30 17 17
12/08/12 19:45 17 17
12/08/12 20:00 17 17 17
13/08/12 13:00 22 20 21 13/08/12 13:15 22 21
13/08/12 13:30 23 22
13/08/12 13:45 22 21
13/08/12 14:00 22 20 21
13/08/12 14:15 21 19
13/08/12 14:30 22 22
13/08/12 14:45 23 22
13/08/12 15:00 23 23
13/08/12 16:00 15 15 15
4.8.2 Sensor de humedad relativa
Para esta evaluación, se compararon las lecturas de humedad relativa del higrómetro
electrónico (HIH-4601-L) contra la estimación respectiva por medio de los termómetros seco
3 Ts, Campbell y T referencia, representan las temperatura del sensor, de la estación de Campbell Scientific y la
de referencia (termómetro de bulbo seco del psicrómetro ventilado) respectivamente.
107
y húmedo del psicrómetro ventilado tipo Assman. Primero se ejemplifica la estimación de la
humedad relativa a partir de la temperatura de los termómetros de bulbo seco y húmedo de
psicrómetro ventilado tipo Assman, con su corrección de la tensión de vapor de agua por la
presión atmosférica.
A partir de la temperatura del bulbo seco de 19 ᵒC y del bulbo húmedo de 12.1 ᵒC y con una
presión atmosférica de 590 mm de Hg, estimar la humedad relativa
1.- Determinación de la tensión de vapor a 750mm
t = 19ºC
t’ = 12.1ºC
Diferencia t – t’ = 6.9ºC
De la tabla 3.1 del anexo: t’ = 12.1ºC e1 = 10.55mm
De la tabla 3.2 del anexo: t – t’ = 6.9ºC e2 = 3.42mm
Diferencia 7.13mm
La tensión de vapor a 750mm será 7.13mm
2.- Corrección para el lugar de observación.
Presión a la que fue calculada tabla 3.1 del anexo 750mm
Presión en el lugar de observación 590mm
Diferencia 160mm
Dividido entre 100 1.6mm
De la tabla 3.2 del anexo, el factor para 6.9ºC 0.40
Corrección por esta diferencia: 1.6 X .40 = 0.64mm
Como la presión en el lugar de observación
es menor a 750 mm, entonces la corrección
deberá sumarse a la tensión de vapor
calculada en el inciso 1. 7.13mm + 0.64mm = 7.77mm
3.- Cálculo de la humedad relativa por ciento
Tensión de vapor del lugar (corregida) 7.77mm
Tensión máxima de vapor a 19ºC (Temp. Amb.) 16.31mm
Cociente de éstas tensiones: 7.77/16.37 = 0.4746
Multiplicado por 100 0.4746 x 100 = 47.46%
La humedad relativa para este lugar y momento, es de 47.46% [37]
En el siguiente paso se realizó una regresión lineal entre los valores de la humedad relativa de
ambo sensores, donde el modelo que resulto es:
108
HR referencia = 1.0523 (HR sensor) + 9.0911 r2=0.9091
Donde el sensor sobrestima en 9.0911 unidades con respecto al psicrómetro ventilado de
referencia, y con un coeficiente de determinación de 0.9091.
Figura 68. Relación entre la humedad relativa del sensor y el psicrómetro tipo Assman.
Tabla 5. Datos del psicrómetro del día 10 de agosto al 13 de agosto de 2012
4.
y = 1.0523x + 9.0711 R² = 0.9091
50
60
70
80
90
100
50 60 70 80 90HIH-4602-L
Hu
med
ad
de
refe
ran
cia
%
Fecha Hora t t' HR* HR**
Censor
HR*** 10/08/12 02:00 19 16 75.75 77.91 66 10/08/12 02:15 19 16 75.75 63 10/08/12 02:30 19 16 83.15 64 10/08/12 02:45 19 16 75.75 62 10/08/12 03:00 19 16 75.75 74.72 61 10/08/12 03:15 20 16 68.96 58 10/08/12 03:30 19 16 75.75 60 10/08/12 03:45 20 16 68.96 58 10/08/12 04:00 21 16 62.80 93.3 58 10/08/12 04:15 22 17 69.65 57 10/08/12 04:30 20 16 68.96 57 10/08/12 04:45 20 16 68.96 56 10/08/12 05:00 21 17 69.65 93.3 57 12/08/12 05:00 21 15 68.21 59.66 58 12/08/12 05:15 21 16 62.80 55 12/08/12 05:30 21 15 61.91 49
109
De manera similar se comparó la humedad relativa del Psicrómetro con el sensor de humedad
relativa de la estación automática de Campbell. Dichos datos se ajustaron a una regresión
lineal:
HR referencia = -0.025 (HR Campbell) + 68.838 r2=0.00385
Donde se concluye que la relación es muy baja entre dichos instrumentos.
4 t temperatura del bulbo seco y t´ temperatura del bulbo húmedo; HR* humedad relativa del psicrómetro
ventilado, HR** humedad relativa estación Campbell, HR*** humedad relativa que registró el sensor.
12/08/12 05:45 21 15 61.91 52 12/08/12 06:00 19 15 68.21 64.51 51 12/08/12 06:15 20 15 61.91 51 12/08/12 06:30 19 14 61.01 50 12/08/12 06:45 19 14 61.01 50 12/08/12 07:00 19 15 68.21 77.63 53 12/08/12 07:15 19 15 68.21 54 12/08/12 07:30 17 15 75.16 64 12/08/12 07:45 17 15 82.69 65 12/08/12 08:00 17 15 82.69 79.32 67 13/08/12 01:00 21 15 61.91 60.94 52 13/08/12 01:15 21 16 62.80 53 13/08/12 01:30 22 15 61.91 50 13/08/12 01:45 21 15 61.91 52 13/08/12 02:00 21 15 61.91 54.65 54 13/08/12 02:15 19 15 68.21 53 13/08/12 02:30 22 17 63.57 53 13/08/12 02:45 22 16 62.80 49 13/08/12 03:00 23 16 57.17 94.6 47 13/08/12 03:15 23 15 61.91 49 13/08/12 03:30 23 15 61.91 57 13/08/12 04:30 15 15 90.95 81
110
Figura 69. Relación entre el sensor de humedad de la estación Campbell Scientific y el de referencia.
4.8.3 Sensor de la presión atmosférica (barómetro)
Se hicieron mediciones, para comparar los datos que leyó el sensor con el barómetro
de Fortín como instrumento de referencia, la Figura 70, muestra a este último, además, en la
Tabla 6, muestra los días y el horario en que fueron realizadas. La Figura 71, muestra la
relación entre ellos.
Tabla 6. Datos de la presión del día 29 de agosto al 30 de agosto de 2012.
Fecha
Hora Barómetro de Fortín [kPa]
Sensor MPX4115A [kPa]
29/08/12 07:00 78.60 78.60 29/08/12 08:00 78.61 78.58 29/08/12 09:00 78.60 78.60 29/08/12 10:00 78.61 78.60 29/08/12 11:00 78.60 78.60 29/08/12 12:00 78.60 78.60 29/08/12 13:00 78.60 78.60
y = -0.025x + 68.838 R² = 0.0038 50
55
60
65
70
75
80
50 60 70 80 90 100
Humedad relativa sensor campbell
Lec
tura
s q
ue
reg
istr
o e
l p
sicó
met
ro
111
30/08/12 07:00 78.50 78.23 30/08/12 08:00 78.55 78.22 30/08/12 09:00 78.55 78.29 30/08/12 10:00 78.55 78.26 30/08/12 11:00 78.55 78.27
Figura 70. Barómetro tipo Fortín.
Figura 71. Relación entre el sensor de presión y el barómetro de Fortín.
Entre ambos sensores hay una alta correlación.
y = 0.6191x + 29.939 R² = 0.886
78.46
78.48
78.5
78.52
78.54
78.56
78.58
78.6
78.62
78.35 78.4 78.45 78.5 78.55 78.6 78.65
MPX4115A
Baro
met
ro d
e F
ort
ín
112
4.8.4 Pluviómetro
Determinación de la lámina mínima de lluvia detectable por el
pluviómetro/pluviógrafo Modelo TE525, para esto se vertió agua al pluviómetro (con un
diámetro de 11 cm, con un área de captación (Ac) de 380.13 cm2) en cuatro ocasiones, con
1500, 1000 500 y 250 ml respectivamente, además se contó el número de veces que cambio el
balancín para cada volumen aplicado.
Tabla 7. Registro de volumen, conteo de cambio del balancín para obtener la lámina mínima detectable.
No Volumen
[ml]
Conteo Lámina [cm] Lámina/cambio
[cm]
Lámina/cambio
[mm]
1 1500 39 3.945990325 0.101179239 0.010117924
2 1000 25 2.630660216 0.105226409 0.010522641
3 500 12 1.315330108 0.109610842 0.010961084
4 250 6 0.657665054 0.109610842 0.010961084
Promedio 0.010640683
Con una lámina mínima detectable de 0.010640683 mm para cada cambio del balancín del
pluvímetro / pluviográfo. Para que el instrumento opere como pluviográfo sólo se requiere que
se registre el tiempo durante el cambio del balancín por parte del datalogger, además del
conteo de dichos cambios.
Como parte de las pruebas se registró un evento de precipitación el día 29 de agosto de 2012,
como se muestra en la Tabla 8, se comparó dicho evento con los registros de otra estación
automática comercial, que no detecto dicha precipitación.
Tabla 8. Registro de la precipitación del día 29 de agosto de 2012.
Fecha Hora Lámina / dataloger Lámina/
113
TE525
[mm]
DAVIS
[mm]
29/08/12 07:00:01 0 0
29/08/12 08:00:01 0 0
29/08/12 09:00:01 0 0
29/08/12 10:00:01 0 0
29/08/12 11:00:01 0 0
29/08/12 12:00:01 0 0
29/08/12 13:00:01 0 0
29/08/12 14:00:01 0 0
29/08/12 15:00:01 0 0
29/08/12 16:00:01 0 0
29/08/12 17:00:01 0 0
29/08/12 18:00:01 7.448 0
29/08/12 19:00:01 0 0
4.8.5 Piranómetro
Para evaluar la respuesta del sensor de radiación solar (APOGEE SP-212) se realizó
una comparación con el actinógrafo bimetálico, tipo Robitzsch (Figura 72), el cual se usó
como un instrumento de referencia, a pesar que ambos instrumentos trabajan en diferente
rango del espectro, el primero dentro de la radiación fotosintéticamente activa (PAR) y el
segundo dentro de la radiación global.
Para ello se realizó la toma de lecturas de 7 de la mañana a las 17:00 del día 29 de agosto de
2012.
114
Figura 72. Actinógrafo tipo Robitzsch.
En la Figura 73, se observa la gráfica que registró el actinógrafo tipo Robitzsch, a partir de
esta, se determina la cantidad de energía acumulada por hora, por lo que se calco dicha gráfica
(Figura 74). De dicha copia se dividió en horas, y de cada área bajo la curva se recortó
(Figuras 75 y 76), y se determinó el área por cada hora por medio de un integrador de área
foliar (Figura 77).
115
Figura 73. Datos registrados por el actinógrafo Robitzsch.
Figura 74. Datos calcados en una hoja blanca.
116
Figura 75. Hoja calcada recortada.
Figura76. Muestras de la lectura.
Figura 77. Integrador de área foliar LI – 3100 C.
117
La Tabla 9, muestra el área medida de cada uno de los recortes, a partir de esta área se
determinó la energía recibida por unidad de superficie (W/m2) por medio de los factores de
conversión y al final la lectura que registro nuestro sensor, en la Figura 78, se puede ver la
relación entre ellos.
Figura 78. Relación entre el Piranómetro y el actinógrafo.
Tabla 9. Conversión de las áreas a energía solar recibida del actinógrafo y radiación solar del sensor SP-212
5.
Hora Área
cm2
Actinógrafo
Cal/cm² h *
W/m² h ** Sensor
SP-212
W/m²*h
06:00-07:00 0.01 0.13 5,632.92 108000
07:00-08:00 0.17 3.29 137,604.21 762600
08:00-09:00 1.13 21.78 911,728.45 1378500
09:00-10:00 1.91 36.69 1,536,177.95 2436600
10:00-11:00 2.36 45.28 1,895,880.17 3051000
11:00-12:00 2.85 54.83 2,295,817.55 3462900
12:00-13:00 2.62 50.32 2,106,712.35 2426400
y = 1.3277x + 15611 R² = 0.8461
0
500000
1000000
1500000
2000000
2500000
3000000
3500000
4000000
0 500000 1000000 1500000 2000000 2500000
APOGEE SP-212
Act
inó
gra
fo
118
13:00-14:00 2.74 52.59 2,201,667.30 3532500
14:00-15:00 2.67 51.28 2,146,947.50 2010600
14:00-15:00 1.60 30.69 1,285,110.63 1436100
15:00-16:00 1.48 28.41 1,189,350.98 988800
16:00-17:00 0.67 12.80 535,932.17 226500
17:00-18:00 0.05 0.96 40,235.15 9000.00
A pesar de ser sensores diferentes (en términos espectrales, uno analógico y otro digital)
ambas respuestas son directamente proporcionales con un coeficiente de correlación de 0.8461
(r2).
4.8.6 Anemómetro
Para evaluar la respuesta de la velocidad y dirección del viento se comparó el
anemómetro con los sensores correspondientes de una estación meteorológica automática
comercial (Campbell Scientific). Para la comparación se realizó un análisis vectorial, las
cantidades vectoriales son aquellas que están determinadas por su valor absoluto (llamado
módulo, que se representa por la velocidad del viento), una dirección y un sentido
(representado por la dirección del viento y su procedencia), por esto se las llama cantidades
dirigidas. El método analítico para la suma de vectores, consiste en utilizar las ecuaciones de
las componentes rectangulares de los vectores (Fx y Fy), cuyas ecuaciones son:
Fx = F cos θ
Fy = F sen θ.
5 * 19.22 Factor de conversión de cm2 a cal/cm2
** 41868 Factor de conversión de cal/cm2 a W/m2
119
Después de obtener la suma de las fuerzas en X y en Y se aplica el teorema de Pitágoras, para
obtener el vector resultante como:
(23)
Para obtener el ángulo del vector resultante se hace uso de la función trigonométrica
arcotangente, cuya fórmula es:
(24)
Tabla 10. Dirección y velocidad del viento del Datalogger y la estación comercial y el análisis vectorial (31 de
agosto de 2012).
Met-One Met-One Datalogger Campbell
Hora 014A 024ª Campbell Proyecciones en X y Y
Velocidad [m/s]
Dirección [grados]
Velocidad [m/s]
Dirección [grados]
x = v sen (Ɵ)
y = v cos (Ɵ)
x = v sen (Ɵ)
y= v cos (Ɵ)
01:00:01 0.02 121 0.528 93 0.02 -0.001 -0.5007 0.1676
02:00:01 0.92 143 0.724 148 -0.92 0.0529 -0.245 -0.6813
03:00:01 0.08 147 0.498 134 0.05 -0.0635 0.4412 -0.231
04:00:01 0.61 148 0.088 13.37 -0.21 -0.574 0.0633 0.0611
05:00:01 0.1 39 0.135 286 0.1 0.0267 -0.0155 -0.1341
06:00:01 0.32 294 0.09 350 -0.31 0.0826 -0.0863 -0.0255
07:00:01 0.03 249 0.002 18 -0.02 -0.0206 -0.0015 0.0013
08:00:01 0.03 215 0.03 213 0.03 0.0059 -0.0176 0.0243
09:00:01 0.6 171 0.687 274 0.59 0.1291 -0.4327 -0.5336
10:00:01 0.1 345 0.605 348 -0.05 0.0839 0.3975 -0.4561
11:00:01 0.47 315 1.213 329 0.35 0.3135 0.925 -0.7847
12:00:01 0.86 24 1.456 315 -0.78 0.3648 1.0849 0.971
13:00:01 1.5 298 1.284 319 0.65 -1.3498 -1.2734 0.1643
14:00:01 0.12 250 1.528 268 -0.12 0.0289 -1.2558 -0.8705
15:00:01 1.47 266 1.855 300 1.26 -0.75 -1.8545 -0.041
16:00:01 0.94 252 2.495 348 0.59 0.7353 1.6391 -1.881
17:00:01 1.22 30 1.173 3 -1.21 0.1882 0.1655 -1.1613
2
22 Fy)( + Fx)(N
Vr
Fx
Fy1tan
120
18:00:01 2.63 45 0.274 5 2.24 1.3816 -0.2627 0.0777
19:00:01 2.41 16 3.125 14 -0.69 -2.308 3.0956 0.4273
20:00:01 0.56 33 1.205 333 0.56 -0.0074 -0.0106 1.205
21:00:01 0.28 335 0.784 144 0.26 -0.1143 -0.385 0.683
22:00:01 0.1 146 0.42 15 0.1 0.0084 0.2731 -0.3191
23:00:01 0.3 64 0.578 300 0.28 0.1176 -0.5779 -0.0128
00:00:01 0.79 230 0.332 246 -0.49 -0.6223 0.2712 0.1916
Sumas 2.27 -2.2916 1.4372 -3.1579
Para conocer el vector resultante de la velocidad del viento se empleó la ecuación (23),
entonces:
Datalogger Campbell
En término de resultante no hay diferencia entre ambos dispositivos (anemómetros y veletas).
Para el cálculo de la dirección promedio del viento se utilizó la ecuación (24):
Estación Campbell
Debido a que la función arcotangente no se puede reconocer si se trata de un ángulo del
primer o tercer cuadrante, donde la tangente es positiva, o de un ángulo del segundo o cuarto
cuadrante donde la tangente es negativa, es necesario tomar en cuenta la dirección de cada una
de las componentes del vector resultante para saber a qué cuadrante pertenece, para esto, se
seguirán las siguientes reglas (Tabla 11):
2242916.227.2
Vr 2241579.34372.1
cVr
smVr /1.0 smVrc /1.0
2916.2/27.2arctan 1579.34372.1arctan c
78.0' 43.0' c
121
Tabla 11. Determinación del cuadrante de vector resultante 6.
Condición Para obtener la dirección correcta
(o ángulo de la resultante)
Si las sumas de las componentes “X” y “Y”
son positivas
Pertenece al 1° cuadrante NE
Ɵ = Ɵ’
Si la suma del componente “X” es positiva
y la suma de la componente “Y” es negativa
Pertenece al 2° cuadrante SE
Ɵ’ resultará negativo,
réstelo de 180 o Ɵ = 180 – Ɵ’
Si la suma del componente “X” es negativa
y la suma de la componente “y” es positiva
Pertenece al 4° cuadrante NW
Ɵ’ resultará negativa
réstelo de 360 o Ɵ = 360 – Ɵ’
Si las sumas de los componentes “X” y “Y”
son negativas
Pertenece al 3°cuadrante SW
Sumar 180 + Ɵ’ o Ɵ = 180 + Ɵ’
Al analizar la suma de los vectores, se observó que pertenece al 2° cuadrante, por lo que solo
queda restar 180 grados, entonces, en ambos casos:
Por lo que hay una diferencia angular de 0.35 grados (179.57-179.22), a pesar que hay una
separación entre sensores de aproximadamente de 2 metros. Además se asume que los
tiempos de lectura entre ambas estaciones es similar, sin embargo puede haber diferencias,
pero se puede concluir que la velocidad y dirección resultante en términos vectoriales son
iguales en ambas estaciones.
6 Nota: Se debe considerar que las componentes hacia abajo e izquierda son negativas; las componentes hacia
arriba o hacia la derecha son positivas. Si convenimos que el N es (+) y el S es (-); al E es (+) y el W es (-)
entonces algo que vaya en esas direcciones será (+) o (-) [40].
78.0180 43.0180c
22.179 57.179c
122
4.9 Desarrollo del software.
4.9.1 Programación del microcontrolador (PIC)
A continuación se describe el software que permitió junto con el hardware cumplir con
el desarrollo de la estación automática. En la comunicación de datos de la estación el modulo
transmisor (RF), es el encargado de adquirir los datos de los sensores, procesar estos datos y
enviarlos a través de un puerto serie con un protocolo ya determinado. Así el programa dentro
del PIC toma un promedio de 10 muestras, entre valores numéricos de 0 y 4095. Los datos que
son recibidos, son las lecturas originales de los sensores, después se convierten los valores
numéricos para obtener la variable correspondiente, que se pueden observar en las Figuras 79,
80, 81, 82, 83, 84 y 85 el código parcial, en PCWD IDE Compiler.
Para la temperatura:
Figura 79. Conversión de temperatura.
Para la humedad:
Figura 80. Conversión de humedad del aire.
Para la dirección del viento:
123
Figura 81. Conversión de la dirección del viento.
Para la radiación solar:
Figura 82. Conversión de la radiación.
Para la presión atmosférica:
Figura 83. Conversión de la presión.
Para el pluviómetro:
Figura 84. Conversión de la lámina de precipitación.
Para la velocidad del viento:
124
Figura 85. Bucle para la velocidad del viento.
4.9.2 Diseño de la interface de visualización de variables en LabVIEW
Para recibir los datos, a partir del módulo de campo, se usaron las librerías de VISA de
LabVIEW versión 10.0f2 (32 bits). El programa establece una comunicación serial (Figura 86
conexión típica) mediante la cual recibe los datos procesados por el μC (microControlador),
que provienen de los sensores. El puerto serial recibe un dato de 8 bits a la vez, a diferentes
velocidades de transmisión en baudio (que se expresa como el número de bits recibidos en el
puerto por cada segundo); el módulo de transmisión y recepción trabajan a 9600 baudios. El
software cuenta con una pantalla en donde se aprecia, de manera continua la variación de los
siete parámetros sensados. Además se recolectarán muestras de cada una de las variables cada
10 minutos. La programación para las tareas requeridas se dividió en dos programas.
Software de monitoreo.
Recolección y almacenamiento de datos. (ver apartado 4.7.4)
El Software de monitoreo realiza las siguientes funciones:
a) recibe cadenas de ciento dos (102) caracteres en el puerto serial.
b) separa la cadena, descartando el nombre de las variables.
c) transforma de formato carácter a número y despliega los valores de cada una de las
siete variables en indicadores y graficadores.
125
Figura 86. Conexiones para habilitar el puerto serial.
Cuando existe un flujo de información se interactúa con tres funciones Empty String (cadena
vacia) (a), Not (falso o verdadero) (b) y la estructura Case (c) como se muestra en la Figura
87. Si el Empty string detecta que no hay datos en el puerto retorna un verdadero que
posteriormente es ingresado a una función Not, que retorna un falso y no realice nada, si hay
datos en el Empty String se retorna un falso que posteriormente se convierte a verdadero y
realiza todo lo que este dentro de la estructura case.
(a) Función Empty string (b)Función Not
(c) Estructura Case
Figura 87. Estructura Case y las funciones Empty String y Not.
126
Para separar y convertir estos datos a números o valores que corresponden a la temperatura,
presión, etc. En la Figura 88 se muestra el icono y la estructura en paralelo para transformar
de las cadenas (String) a un formato decimal, con el fin de hacer operaciones.
Icono para conversión de String decimal a
número
Diagrama para separar y transformar datos
Figura 88. Estructura de conversión de información (String a valor decimal).
Una vez convertido a valores numéricos se despliegan iconos dinámicos (gráficos animados o
indicadores) para una mejor apreciación para cada variable. Otra función que se usó fueron los
VIs denominados Get date, con el fin de obtener la hora y la fecha (ver Figura 89) para
registrar el tiempo de sensado de las variables.
Figura 89. Funciones de reloj, calendario de LabView (Get Date/Time y Get Date/Time String).
127
Así los datos recibidos provenientes del uC, junto con la fecha y el tiempo, se agrupan en una
matriz, está a su vez, esta conectada con la función Write To spreadsheet, donde se le da
formato a los datos, además, se crea un archivo con su ruta correspondiente donde la
información se almacena consecutivamente (Figura 90).
Figura 90. Integración de funciones para el manejo de los datos (Build String, Case Structure, Write To
Spreadsheet).
Otra función que se uso es Quotient & Remainder, que se coloca a través de las estructuras
case (donde se indica el número de veces que se desea que realice la repetición del bucle), el
residuo se lleva a la función Equal To 0, que si detecta que es un cero en la salida envía un
Verdadero, sí no, envía un Falso (Figura 91), que junto con criterios de condición (Structure
Case) se realizan las operaciones correspondientes.
128
Figura 91. Integración de funciones (Quotient & Remainder y Equal To 0) en un ciclo (bucle) y las estructuras
de opciones (Case structure).
Por último se añade un while (bucle infinito) el cual ejecuta el programa indefinidamente, se
incorpora un botón de stop para detener el programa cuando se requiera. La integración de
todas las funciones y procesos se muestra en la Figura 92.
129
Figura 92. Diagrama general gráfico del monitoreo de datos.
130
4.10 Evaluación económica
Con el fin de conocer una estimación del costo del desarrollo del sistema de
adquisición remoto de datos (estación automática). Primero se hizo un análisis de los costos
de los salarios a partir de algunas empresas y consultorías (se realizó una búsqueda en
Internet). De estos valores se promediaron los salarios, y a partir de una estimación de las
horas que se trabajó por concepto, se estimó el costo para cada concepto (como se indica en la
Tabla 12).
Tabla 12. Resumen de los costos por servicios profesionales (salarios).
Cantidad Costo / hora Horas/mes Subtotal
1 Programador del PICs $ 62.50 240 $ 15,000 1 Diseño en LabView $ 75.00 160 $ 12,000 1 Diseñador de PCB’s $ 62.50 320 $ 20,000 1 Programador .NET $ 68.75 160 $ 11,000 1 Bases de datos (MySQL) $ 62.50 160 $ 10,000 1 Energías solar $ 71.88 160 $ 11,500
Total $ 79,500
El segundo paso a partir de los costos de los materiales (insumos) se compone de:
Circuito electrónico
Sensores
Alimentación solar autónoma
Fuente conmutada
Otros gastos
Software
Personal profesional (salarios)
Donde se realizó una estimación del costo por concepto parcial de cada componente (ver
Tabla 13) y así en la Tabla 14, se indica un resumen de los costos.
131
Tabla 13. Estimación de costos del desarrollo del sistema de adquisición de datos remoto.
Cantidad Descripción Unidad Costo
Subtotal (Pesos MX)
Circuito electrónico 1 Microcontrolador 18F4553 pza $ 153.00
2 2 Amplificadores LMC6482 pza $ 67.00
1 Timer LM555CMX pza $ 18.00
1 Antenas XTend kit $ 7,138.00
1 Gabinete SBE-302515 pza $ 418.00
1 Gabinete de plástico con tapa pza $ 55.00
3 Cable UTP M $ 27.00
2 Bases RJ-45 para PCB pza $ 8.00
2 Conectores RJ-45 pza $ 10.00
5 Jacks stereo pza $ 12.00
3 Led smd pza $ 18.00
3 Borneras pza $ 13.00
1 Header tira pza $ 43.00
1 Placa de montaje pza $ 30.00
1 Trimpot 10k pza $ 26.00
1 Placa de cobre 20x20cm pza $ 40.00
1 Tornillería kit $ 50.00
1 Miscelánea de capacitores kit $ 15.00
1 Miscelánea de resistores kit $ 3.00
1 Medulas kit $ 40.00
1 Base pza $ 700.00 $ 8,884.00 Sensores
1 Sensor de temperatura LM335H pza $ 204.00
1 Sensor de humedad relativa HIH4602L pza $ 837.00
1 Sensor de presión MPX5100AP pza $ 250.00
1 Sensor de radiación SP-215 pza $ 3,216.00
1 Sensor de precipitación TE525MM pza $ 7,490.00
1 Sensor de velocidad y dirección pza $ 11,591.00 $ 23,588.00 Alimentación solar autónoma
1 Panel solar pza $ 918.00
2 Batería pza $ 374.00
1 Controlador de carga pza $ 172.00
1 Cable AWG 1 metro M $ 15.00 $ 1,479.00 Fuente conmutada
1 Diodo 1N5820 pza $ 5.00
1 TL431BIPK pza $ 11.00
1 Inductor 82uH pza $ 36.00
132
1 Tip 115 pza $ 6.00
1 Borneras pza $ 15.00
1 Transistor BCW60D, 215 pza $ 2.00
1 Trimpot 100k pza $ 28.00
1 Miscelánea capacitores kit $ 50.00
1 Miscelánea de resistores kit $ 50.00 $ 203.00 Otros gastos Transporte, consumibles, etc. varios $ 8,000.00
Artículos de oficina varios $ 5,000.00 $ 13,000.00 Software
1 PCWHD IDE Compiler licencia $ 8,040.00
1 Ni Developer suite licencia $ 76,985.00
1 Proteus Platino licencia $ 77,305.00
1 Sistema operativo licencia $ 1,562.00
1 MySQL licencia Libre $ 163,892.00 Personal profesional (Desarrolladores/Especialistas)
1 Programador del pic (240 horas a $62.5/h) salario $ 15,000.00
1 Diseño en LabView (160 horas a $75/h) salario $ 12,000.00
1 Diseñador de PCB’s (320 horas a $62.5/h) salario $ 20,000.00
1 Programador .NET (160 horas a $68.75/h) salario $ 11,000.00
1 Especialista en bases de datos (160 horas a $62.5/h) salario $ 10,000.00
1 Energía solar (160 horas a $71.875/h) salario $ 11,500.00 $ 79,500.00 Total $ 290,546.00
En la Tabla 14, en la última columna se aprecia que el costo inicial del presente desarrollo, el
software y los costos de salarios (profesionales) representa el 83.82% y tan solo el 16.18% el
costo de los materiales. En términos de pesos los materiales representaron $46,967.00 y de
software y salarios $243,392.00 pesos, estos costos son con respecto al año 2012. Se resalta
que la presente estación meteorológica cuenta con un sistema de comunicación remota para
transmitir la información (de alrededor de 1 km) que la hace competitiva cuando se hacen más
unidades e incluso disminuir los costos de fabricación cuando se hacen en serie. Además con
una ventaja de ser un desarrollo hecho en México, y así con esta experiencia se podrán hacer
otros desarrollos. En el presente no se incluyó el costo de una computadora donde se
almacenan los datos.
133
Tabla 14. Resumen de costos por concepto.
Concepto Costo ($) Porcentaje
Personal profesional (Desarrolladores/Especialistas) $ 79,500 27.38% Circuito electrónico $ 8,884.00 3.06% Sensores $ 23,588.00 8.12% Alimentación solar autónomo $ 1,479.00 0.44% Fuente conmutada $ 203.00 0.07% Otros gastos $13,000.00 4.48% Software $163,892.00 56.44% Total $290,546.00 100.00%
4.11 Análisis económico
El análisis se base exclusivamente en la comparación de los costos de la Estación
Meteorológica construida, con una comercial.
La estación meteorológica comercial es, sistema de monitoreo remoto Campbell Scientific con
sus diferentes elementos que se adapta a nuestras características y especificaciones. En la
Tabla 15, se observa la comparación de cada elemento de la Estación Meteorológica
construida y su precio.
Tabla 15. Cuadro comparativo entre la Estación Diseñada y Campbell Scientific
7.
Campbell Costo Estación
construida
Costo
Característica Dólares (USD) Dólares (USD)
Sensores
Temperatura ambiente 1 Si $ 239 Si $ 16.72
Humedad relativa 2 Si $ 239 Si $ 68.60
Radiación 3 Si $ 581 Si $ 263
Precipitación Si $ 826 Si $ 559
Velocidad del viento Si $ 514.5 Si $ 475
Dirección del viento Si $ 514.5 Si $ 475
Presión atmosférica 4 Si $ 898.0 Si $ 20.50
Garita $ 173 $ 173
Fuente de energía
134
Baterías Si $ 252 Si $ 28.19
Panel solar Si $ 466 Si $ 75.24
Controlador de carga Si $ 266 Si $ 14.09
Software
Software de programación5 Si $ 16817 Si $ 3259
Recuperación de datos
Comunicaciones radio
(transmisor y receptor)
Si $ 1295 Si $ 586
Estructura del soporte
Torre 6 Si $ 1792 Si $ 57.40
Caja hermética 7 Si $ 528 Si $ 32.78
Datalogger 8 Si $ 1495 Si $ 85.73
Soporte técnico en México Si Si
Total (USD) $ 26896 $ 6183.25
Total (MXN) $ 328,131.2 $75,435.65
1 y 2 En ambas estaciones el sensor de temperatura y humedad relativa es diferente para la Campbell
es el modelo CS215-L10-1 y de la estación desarrollada fue el modelo LM135H del fabricante
National Semiconductor para la temperatura y el HIH-4602-L del fabricante Honeywell para la
humedad relativa.
3 Son sensores de radiación de la misma marca Apogee pero diferente modelo, ambos miden
la radiación entre 300 y 1100 nm.
4 El sensor de Campbell mide entre 50 y 110 Kpa y el de la estación automática desarrollada
entre 15 y 115 Kpa, modelo MPXA411SA del fabricante Freescale.
5 El software de programación de Campbell es CRBasic para la configuración del Datalogger,
y monitoreo en tiempo real, y aparte para la integración en el internet, para este estudio se usó
desarrollo propio para la comunicación, monitoreo en tiempo real, visualización en Internet, y
manejo de la base de datos.
6 El soporte de Campbell es de 6 m de material resistente, en el estudio fue un diseño de una
estructura simple de aluminio a base de PTR con una altura de 2 m y resistente.
7 $12.20, precio del dólar fuente (diario oficial de la federación del día 9 de abril de 2013)
135
7 Campbell usa para proteger al Datalogger una caja resistente a la intemperie de 40.6 x 45.7 x
22.9 cm en el estudio se usó una caja de madera de 48 x 28 x 16 cm, como una propuesta.
8 Campbell su Datalogger es de propósito general, y utiliza entradas analógicas, dos
contadores, además de contar con una memoria interna; el circuito que se realizó cuenta con
cinco entradas analógicas y dos contadores y un sistema de comunicación bidireccional.
En el resto de los componentes son prácticamente similares, donde la diferencia son los
precios; en la estación de Campbell Scientific los vende en paquete; y en el estudio se
adquirieron de manera individual. Se observa que el precio de la Campbell Scientific es
superior a la diseñada en este trabajo de tesis en más del 100%. Por lo que sí se compraran
sensores, materiales en mayores cantidades y con los circuitos prefabricados, se pueden lograr
costos más bajos así como disminuir los tiempos de fabricación, y aun así lograr un precio
más competitivo. Un punto que se debe cuidar es la calibración de los sensores, para asegurar
lecturas con el menor error posible que puede ser incluso en un momento, mayor que la
fabricación en cuanto a tiempo.
CAPÍTULO V. CONCLUSIONES.
5.1 Conclusiones
A través del desarrollo e implementación del presente proyecto, se consideran
diferentes factores, que intervinieron en el proceso de su elaboración como son: el
técnico, logístico y económico. Aspectos que permiten determinar su factibilidad.
Al finalizar el proyecto “Sistema Automático de monitoreo remoto de variables
meteorológicas” y una vez comprobada su operación, se puede afirmar que se ha
cumplido con los objetivos tanto generales, como específicos planteados al inicio.
136
Se ha obtenido información meteorológica en tiempo real a través de los sensores
implementados en la estación automática, con el fin de contribuir al pronóstico de los
fenómenos climáticos con mayor precisión.
Se analizó los principios de funcionamiento de los sensores de temperatura ambiente,
humedad, presión, velocidad del viento, dirección del viento, radiación solar y
precipitación de lluvia.
Se compararon los resultados obtenidos con instrumentos patrón en la mayoría de los
casos, de las pruebas obtenidas, indicaron una confiabilidad las variables registradas
por la Estación construida. Además se comparó con los datos con instrumental
meteorológico tradicional (mecánicos, electromecánicos, etc.) de la Estación
Agrometeorológica del Colegio de postgraduados que valido la información.
La estación es modular, permitiendo a futuro la implementación de sensores diseñados
para detectar la presencia de butano, monóxido de carbono, humedad del suelo etc.
La Interfaz Gráfica (HMI) desarrollada en LabVIEW permite al usuario, un monitoreo
más eficaz y fácil, complementado con un almacenamiento de datos y gráficos, con el
fin de llevar un registro de datos históricos que sirven de ayuda, para su
aprovechamiento en un futuro.
Las variables pueden ser observadas a distancia y en tiempo real.
Las antenas RF tienen una distancia óptima para realizar transmisión de datos, además
la señal no sufre distorsiones con las condiciones físicas del medio ambiente (lluvia,
neblina, polvo etc.)
El costo de inversión del proyecto lo hace factible comparado con estaciones
comerciales.
La adquisición de los sensores en el exterior (E.U.A.) se debe realizar con la debida
anticipación para evitar retrasos e inconvenientes futuros.
Para la ubicación de los sensores exteriores se utiliza la garita meteorológica, para su
diseño es recomendable considerar el número de sensores a ubicarse en la misma, para
determinar las dimensiones de la garita.
En la implementación final de la estación, es fundamental tener un diseño funcional de
la estructura metálica, tanto en peso y distribución de elementos permitiendo así su
operación en condiciones climáticas adversas.
137
5.2 Trabajo futuro
Partiendo de la estación ya implementada se recomienda en futuros proyectos realizar
la publicación en internet de los datos obtenidos, mediante la creación de una página
WEB para que estén disponibles los datos en cualquier momento y parte del mundo.
En diferentes zonas agrícolas de nuestro país se deberá contar con redes de estaciones
meteorológicas automáticas para facilitar a los agricultores las fechas más idóneas para
sembrar, cosechar etc.
Se recomienda capacitar personal, en caso de falla, levantar el sistema lo más veloz
posible, además de hacer un buen uso de los datos que proporciona la estación
meteorológica.
Cuando se instalen EMAs en sitios de difícil acceso, se recomienda elevar la línea de
vista de las antenas RF, de esta manera incrementaremos la distancia de envío de datos
para mayor comodidad.
Una vez que el presente proyecto ha sido sometido a pruebas con resultados
satisfactorios, recomendamos usar el presente proyecto, para realizar monitoreo del
clima.
138
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142
ANEXOS
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