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Prototipo de unidad meteorológica integral para monitoreo remoto y análisis de sistemas de energíarenovables

1

CENTRO DE INVESTIGACION ENMATERIALES AVANZADOS, S.C.

DEPARTAMENTO DE ESTUDIOS DE POSGRADO

“PROTOTIPO DE UNIDAD METEOROLÓGICA INTEGRAL PARAMONITOREO REMOTO Y ANALISIS DE SISTEMAS DE

ENERGIAS RENOVABLES.”

T E S I SCOMO REQUISITO PARA OBTENER EL GRADO DE

Maestro en Energías Renovables

PRESENTA:

Juan Manuel Sosa Sosa

Generación2011-2013

Director de TesisMC. Pedro Piza Ruiz (CIMAV)

Nuevo Laredo Tamaulipas Junio de 2014


2

CENTRO DE INVESTIGACION ENMATERIALES AVANZADOS, S.C.

DEPARTAMENTO DE ESTUDIOS DE POSGRADO

AGRADECIMIENTO

A el MC. Pedro Piza Ruiz por su soporte durante mi real ización del

proyecto de tesis.

A el Dr. José Alberto Duarte Möller por su aporte al proyecto y su

confianza en mi persona por concluir el trabajo.

A la Universidad Tecnológica de Nuevo Laredo por haberme

tomado en cuenta y dado la oportunidad de realizar mis estudios

de Maestría.

A mis maestros del Centro de Investigaciones de materiales

Avanzados (CIMAV) por su incondicional apoyo y compartir sus

conocimientos con su servidor.


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DEDICATORIA

A mi esposa María de Jesús por su incondicional apoyo y por su

invaluable labor al f rente de la familia.

A mis hijos Julián Israel, Darío Antonio, Ciara y Denzel que son mi

inspiración para seguir adelante.

A mi Madre, y hermanas, Leticia y Ana María, por alentarme y

motivarme a conseguir el objet ivo.


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Resumen

El propósito de este proyecto es realizar una estación meteorológica con

el fin de evaluar el recurso eólico en la región, ya que se tienen datos de

estudio en regiones vecinas colindantes con otras entidades y no se han hecho

estudios serios en esta región de la entidad. Un agregado es relacionar el

recurso eólico con evaluación de energía generada con un aerogenerador.

Para lograr esto se procedió a implementar un sistema que cumpliera con la

confiabilidad de la toma de datos así como la suficiente robustez para

comunicarlo inalámbricamente a distancia, utilizando los dispositivos más

populares en el mercado para que el sistema pueda ser reproducible por

cualquier persona.

Para llevar a cabo el trabajo se escogió el microcontrolador ARDUINO por ser

uno de los más populares en el mundo, por ser fácil de programar y tiene

muchas aplicaciones.

Para el enlace de los dispositivos se utilizaron ZIGBEES que tienen mucho

rango de operación, ya que la estaciones que existen comercialmente, por lo

regular solo cubren unos 100 m. con este dispositivo se pretende cubrir al

menos 400m.

Para ser representados los datos en la pantalla de la computadora se utilizó la

plataforma LABVIEW en su versión 2012, que integra la función datalogger o

bitácora, registrando la información en un archivo de texto (.txt), para su

posterior análisis.

Los dispositivos fueron proporcionados por CIMAV, para la realización del

proyecto, esta torre meteorológica ha sido utilizada estudiantes de la

Universidad Tecnológica de Nuevo Laredo en su materias de Estaciones

meteorológicas y Diseño de proyectos de turbo energía en la colección de

datos eólicos para el estudio de vientos.


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ABSTRACT

The purpose of this project is to make a weather stat ion in order to

evaluate the wind resource in the region, since the study data are

bordering neighboring regions and not others have made serious

studies in this region of the state. An aggregate is related to the

wind resource evaluation with a wind energy generated.

To achieve this, we proceeded to implement a system, that meets

the rel iabi l ity of data collection and robust enough to communicate

wirelessly at a distance, using the most popular devices on the

market to enable the reader to repeat the procedure.

To carry out the work, ARDUINO microcontrol ler was chosen as

one of the most popular in the world, being easy to program and

has many applications.

For connecting devices are used ZIGBEES which have much

operating range , since the stat ions are usually cover only about

100 m. with this device is intended to cover at least 400 m .

Data to be represented in the computer screen, LABVIEW platform

was used in the version 2012, so how to manipulate the data to be

recorded in a text f i le.

The devices were provided by CIMAV, for the realization of the

project, this meteorological tower has been used too by students in

Technological University of Nuevo Laredo in subjects “Weather


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Stations” and “Design of turbo power projects” taking wind data

collection for the study of winds.

INDICE DE CONTENIDO

CAPITULO I

INTRODUCCIÓN….………………………………………………..…….pág. 8

1.1 Antecedentes………………………………....…………….………...pág. 8

1.2 Contexto…….……………………………..…………………………...pág. 9

1.3 JUSTIFICACIÓN…………………….……….……….…………….…pág. 9

1.4 HIPOTESIS……………..……………………………………………...pag.11

1.5 Objetivo General………………………….……………………………pág. 11

1.6 Objetivos Particulares…………………………………………….……pág. 12

CAPITULO II

2.1 CONCEPTOS…….………………....................................................pág. 12

2.1.1 Muestreo de variables atmosféricas……………..…………………pag. 12

2.2 Problema..........................................................................................pág. 22

2.3 Participantes.....................................................................................pág. 23

2.4 Población…………………………… ..………………………………..pág. 23

2.5 Muestra…………………………………..…………………………..…..pág. 23

CAPITULO III

METODOLOGÍA...................................................................................pag. 24

3.1 Obtención de datos para la realización del proyecto.......................pág. 24


7

3.2 Instalación de Estación meteorológica Torre 1………………………pag. 25

3.3 Elaborar programa de adquisición de datos para ARDUINO……...pag. 27

3.3.1 Sensor de velocidad del viento…………..……………...….………pag. 27

3.3.2 Sensor de dirección del viento…………………...………………....pag. 31

3.3.3 Sensor de Temperatura y humedad………………………………..pag. 33

3.4 Aprender a configurar Zig Bees……………………...………………..pag. 38

3.5 Medidor de energía producida del aerogenerador…………….……pag. 47

3.6 Elaborar programa exhibidor y registro LABVIEW…………………..pag. 49

3.7 Configurar conexión a RED y publicar en página WEB…………….pag. 56

3.8 Configuración de la red local…………………………………………..pag. 59

CAPITULO IVRESULTADOS......................................................................................pág. 63

4.1.- Análisis estadístico del sistema implementado.............................pág. 63

4.1.1 Análisis de velocidad del viento....................................................pág. 67

4.1.2 Análisis de Dirección del viento……………………………………..pág. 69

4.2 Datos obtenidos del aerogenerador…………………………………..pág. 71

CAPITULO VCONCLUSIONES.......................................................... ........................pág. 72

CAPITULO VIRECOMENDACIONES..........................................................................pág. 74

CAPITULO VIIANEXOS……….....................................................................................pág. 75

CAPITULO VIIIREFERENCIAS.....................................................................................pág. 89


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CAPITULO I

INTRODUCCIÓN

1.1Antecedentes

Cuando se plantea hacer un estudio de vientos, para la evaluación de un

sitio, donde se contemple la generación de energía eléctrica, debe de

realizarse un monitoreo de las variables climatológicas como la velocidad del

viento y la dirección de este, para ver el potencial aprovechable, durante un

tiempo determinado.

Para el monitoreo de estas variables debe buscarse un lugar donde se tenga el

mínimo de obstáculos del viento, una vez ubicado debe de tener un radio libre

alrededor de 2 veces la altura de los sensores.

Por lo general las mejores ubicaciones están fuera de alcance de los paneles

exhibidores de datos y registradores.

Para resolver este inconveniente se plantea la utilización de un sistema

desarrollado por uno mismo empleando los dispositivos más populares del

mercado.

El sistema de recolección de información meteorológica deberá estar en un

lugar adecuado junto con los diferentes sensores que permiten medir las

distintas variables del clima en un momento y lugar determinado, es decir en

un lugar que permita la observación de los fenómenos meteorológicos y donde

estarán los sensores (termómetro, higrómetro, veleta, anemómetro, etc.),

encargados de medir las variables atmosféricas (temperatura, humedad,

dirección y velocidad del viento, respectivamente).


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Estos sensores han de estar al aire libre, pero han de estar protegidos de las

radiaciones solares para que estas no les alteren los datos, el aire debe

circular por su interior como sucede con el higrómetro. El sistema se encargara

de recolectar, procesar y transmitir vía RF a un receptor remoto para ser

registrados en LABVIEW para finalmente ser publicados en una página WEB.

1.2 ContextoEn el año 2002, se efectuó el proyecto de creación a la Universidad

Tecnológica de Nuevo Laredo. Su objetivo era proporcionar educación

profesional a los jóvenes, de ambos sexos, con el afán de que se sumaran a la

nueva etapa que vivía la ciudad, etapa en la que se exigen mayores

conocimientos; y al mismo tiempo creación de nuevas oportunidades para que

estos jóvenes se quedaran en el mismo puerto para engrandecer y modernizar

la planta ya instalada y encontrar nuevas formas de progreso y bienestar.

La creación de la Universidad Tecnológica de Nuevo Laredo, no se realizó al azar,

sino que especialistas trabajaron en un estudio de factibilidad que tuvo como

propósito fundamentar, de acuerdo con su pertinencia, la creación de esta

institución educativa. La Universidad Tecnológica de Nuevo Laredo (UTNL)

ofrece las ingenierías en: Logística Internacional, en Desarrollo e Innovación

Empresarial, en Mecatrónica y en Mantenimiento Industrial, además de ofrecer

las carreras de Técnico Superior Universitario en: en Energías Renovables

Calidad y ahorro de energía), en Mecatrónica (Automatización), en

Mantenimiento (Instalaciones), en Operaciones Comerciales Internacionales en

Clasificación Arancelaria y Despacho Aduanero, en Desarrollo de Negocios

(Logística y Transporte), y en Desarrollo de Negocios (Mercadotecnia).

Contando actualmente con 1,851 alumnos ofreciendo sus servicios desde el

2002.

1.3 JUSTIFICACIÓN


10

Las estaciones meteorológicas ya existen, pero no ofrecen la

flexibilidad de adaptación a las necesidades que los investigadores necesitan,

ya que estas vienen con rangos de alcance restringidos y no se adecuan a las

distancias que las normas exigen para el emplazamiento de estaciones

meteorológicas y se colecten datos de calidad para futuras decisiones en la

creación de parques eólicos que aquí hacen mucha falta.

Además se tiene un aerogenerador en el cual se desarrollara el monitoreo de

la energía generada, con el recurso eólico existente, y midiendo la potencia de

consumo se puede obtener la eficiente del sistema completo, esto se logrará

con la implementación de los mismos recursos tecnológicos.

Una vez que se estudió en CIMAV la especialidad de eólica, surgió la

necesidad de retomar la estación meteorológica pues no se tenían datos de las

condiciones meteorológicas en la localidad, así que se compró otra de la

misma marca, en el mismo lugar, hasta el mismo precio, esta es la

WEATHERWISE INSTRUMENTS modelo inalámbrico con baterías recargables

con panel solar.

Fig 1.1 Juego de sensores. Fig. 1.2 Panel touch monitor.

Esta estación fue utilizada en la clase de “Diseño de proyectos de turbo-

energía” que imparto desde hace un año, y me sirvió para que los alumnos

practicarán con ella.


11

Esta estación tiene el inconveniente que solo cubre 300 pies en plano abierto,

lo que crea el problema de posicionarla donde es requerida, ya que el

emplazamiento, debe estar en un lugar lejos de los edificios y a una altura

mínima de 10 ms.

Las variables a medir y los instrumentos utilizados serán los siguientes:

Velocidad del viento (anemómetro de copas)

Dirección del viento (de resistencia variable)

Humedad y temperatura DHT11

Sensor de corriente ACS758PCB050U.

Y sean transmitidos en RF por medio de tecnología ZEEG-BEE, este tiene un

alcance de 400 ms. A su receptor (otro ZEEG-BEE), conectado a una PC que

por medio de LABVIEW, colectará los datos en tiempo real, estos datos a su

vez serán colocados en una página WEB, solo con este propósito, de guardar

los datos para que sean públicos a futuros emprendedores que deseen hacer

proyectos eólicos en la región.

1.4 HIPOTESIS

Con el proyecto concluido se tendrían siempre datos de la condiciones del

ambiente, registrado en un archivo que se guardará en una PC. Los datos

tendrían una confiabilidad de un 95%, esto comparándolo con una estación

comercial. Las condiciones climatológicas estarán a la vista del público en una

página de internet. Los datos se estarían guardando en un largo plazo para

que sean históricos y se vean las tendencias temporales en la región.

1.5 Objetivo General


12

Desarrollar un prototipo experimental integral para el monitoreo y registro

del medio ambiente en la universidad Tecnológica de nuevo Laredo, utilizando

sensores comerciales y la recolección de las variables por medio de un micro

controlador ARDUINO, y un sistema de enlace RF por medio de tecnología

ZIG-BEE para cubrir una distancia de al menos 400m, para posteriormente

guardar los datos utilizando una PC y el programa LABVIEW que muestra los

resultados y los escribe en una página WEB.

1.6 Objetivos Particulares

o Emplazar 2 torres de monitoreo, una convencional y la otra con las mejoras

propuestas.

o Recolección de datos por un tiempo relativo para hacer comparaciones de

las dos.

o Recolección de datos de potencia producida por el aerogenerador AIR40 de

SOUTHWEST WINDPOWER .

o Analizar resultados obtenidos de las tres fuentes, torre 1, torre 2 y

aerogenerador, utilizando una herramienta estadística, para evaluar la

experimental.

CAPITULO II

2.1 Conceptos

2.1.1 Muestreo de variables atmosféricas.

La recolección de las muestras se hará mediante los sensores siguientes:

Velocidad del viento: Anemómetro

Los anemómetros pueden ser de copas o de hélice, el anemómetro de copas

consiste en tres o cuatro copas montadas simétricamente alrededor de un eje


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vertical (Fig. 2.1), debido a que la fuerza que ejerza el aire en el lado

cóncavo es mayor que en el lado convexo, la rueda de copa gira. La velocidad

de rotación es proporcional a la velocidad del viento.

Fig. 2.1. Anemómetro de copas (WEATHERWISE INSTRUMENTS)

Dicha rotación puede medirse de varios modos: contando mecánicamente el

número de revoluciones, uno conectando el eje de la rueda de copas a un

pequeño generador eléctrico y midiendo el voltaje instantáneo, o con un

interruptor opto eléctrico o de efecto Hall.

El anemómetro utilizado es de tres copas semiesféricas, siendo los de este tipo

los más utilizados, la principal ventaja de los anemómetros de copas es que

miden las dos componentes horizontales del viento es decir si se coloca en

posición horizontal o vertical.

En todos los anemómetros de rotación es necesario disponer de un sistema

que mida la velocidad de giro, para ello se suelen utilizar dinamos taco métrico,

generador de imanes permanentes, sensores de efecto Hall y sensores

ópticos. Los de dinamo taco métrico y el generador de imanes permanentes no

necesitan alimentación exterior, sin embargo los sensores de efecto Hall y los

sensores ópticos necesitarán alimentación exterior, por lo que no son


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recomendables para torres meteorológicas remotas alimentadas por pilas o

baterías.

El sensor utilizado en la implementación de este sistema es de tipo efecto

HALL que se comporta como un interruptor, por cada vuelta que da ingresa un

pulso hacia el micro controlador.

Dirección del viento: Veleta de resistencia variable

El elemento empleado tradicionalmente para medir la dirección del viento es

una veleta, como se puede apreciar en la Fig. 2.2.

Fig. 2.2 Veleta (WEATHERWISE INSTRUMENTS)

Consiste en un dispositivo montado sobre un eje vertical y de giro libre, de tal

modo que puede moverse cuando el viento cambia de dirección. Normalmente,

el movimiento de la veleta está amortiguado para prevenir cambios demasiado

rápidos de la dirección del viento, la veleta suele transmitir la información

mediante un potenciómetro de hilo bobinado o un potenciómetro capacitivo,

habitualmente proporcionan la máxima tensión para la dirección norte y la

mínima alrededor de 357º, por lo que hay un pequeño hueco de 3º. La

resolución típica es de 0.3 º por cada movimiento nos muestra la dirección

actual en la pantalla, para visualizar esta información y asegurarnos que sea

real, la veleta debe estar correctamente orientada durante su instalación en el

exterior con dirección norte antes de empezar a recolectar datos. Para una

orientación precisa se utiliza una brújula o un GPS, la diferencia entre una

buena y una mala veleta suele estar en el transductor potenciométrico que


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mide el giro angular. Un transductor de mala calidad tiene una banda muerta

bastante grande en el norte y una vida limitada.

Temperatura y humedad relativa: Sensor DHT11

Los sensores DHT11 son unos pequeños dispositivos que nos permiten medir

la temperatura y la humedad. A diferencia de otros sensores, éstos los

tendremos que conectar a pines digitales, ya que la señal de salida es digital.

Llevan un pequeño microcontrolador interno para hacer el tratamiento de señal.

Los DHT11 se componen de un sensor capacitivo para medir la humedad y de

un termistor. Ambos sensores están calibrados por lo que no es necesario

añadir ningún circuito de tratamiento de señal. Esto sin duda es una ventaja

porque nos simplifica el desarrollo. Este integrado tiene un margen de error de

3%.

Este sensor (Fig. 2.3) indica la cantidad de vapor de agua presente en el aire,

depende en parte de la temperatura, ya que el aire caliente contiene más

humedad que el frio, este sensor nos mide la humedad relativa expresada en

tanto por ciento (%) de vapor de agua en el aire, por cada variación de

humedad nos presenta una variación de voltaje a la salida de circuito, este

sensor requiere de alimentación externa.

El sensor funciona con ciclos de operación de duración determinada (1s en el

caso del DHT11). En este tiempo, el microcontrolador externo (Arduino por

ejemplo) y el microcontrolador que lleva integrado el sensor, se hablan entre sí

de la siguiente manera:

El microcontrolador (Arduino) inicia la comunicación.

El sensor responde estableciendo un nivel bajo de 80us y un nivel alto de

80us.

El sensor envía 5 bytes.

Se produce el handshaking, en el que el DHT11 transmite sus datos al

microcontrolador.


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Fig. 2.3 Sensor de temperatura y humedad DHT-11.

Controlador: ARDUINO UNO

El monitoreo de los sensores se decidió en usar el ARDUINO (Fig. 2.4) que es

una plataforma de electrónica abierta para la creación de prototipos basada en

software y hardware flexibles y fáciles de usar. Arduino puede tomar

información del entorno a través de sus pines de entrada de toda una gama de

sensores y puede afectar aquello que le rodea controlando luces, motores y

otros actuadores. El micro-controlador en la placa Arduino se programa

mediante el lenguaje de programación Arduino (basado en Wiring) y el entorno

de desarrollo Arduino (basado en Processing). Los proyectos hechos con

Arduino pueden ejecutarse sin necesidad de conectar a un computador, si bien

tienen la posibilidad de hacerlo y comunicar con diferentes tipos de software.


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Fig. 2.4 Micro-controlador ARDUINO UNO.

Sistema de enlace: Sistema inalámbrico ZIGBEE

ZigBee es un estándar de comunicaciones inalámbricas diseñado por la

ZigBee Alliance. No es una tecnología, sino un conjunto estandarizado de

soluciones que pueden ser implementadas por cualquier fabricante. ZigBee

está basado en el estándar IEEE 802.15.4 de redes inalámbricas de área

personal (wireless personal area network, WPAN) y tiene como objetivo las

aplicaciones que requieren comunicaciones seguras con baja tasa de envío de

datos y maximización de la vida útil de sus baterías.

Xbee Shield

La Xbee shield permite a una placa Arduino comunicarse de forma inalámbrica

usando Zigbee. Está basada en el módulo Xbee de MaxStream (Fig. 2.5). El

módulo puede comunicarse hasta 100ft (30 metros) en interior o 300ft (90

metros) al aire libre (en visión directa). Puede ser usado como reemplazo del

puerto serie/usb o puedes ponerlo en modo de comandos y configurarlo para

una variedad de opciones de redes broadcast o malladas. La shield tiene pistas

desde cada pin del Xbee hasta un orificio de soldar. También provee

conectores hembra para usar los pines digitales desde 2 hasta 7 y las entradas

analógicas, las cuales están cubiertas por la shield (los pines digitales de 8 a

13 no están cubiertos por la placa, así que puedes usar los conectores de la

placa directamente). Ver el esquema técnico del XBEE (Fig. 2.6)


18

Fig. 2.5 XBEE de MaxStream.

Fig. 2.6 Esquemático del XBEE de MaxStream.

¿Qué es LabView?


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Para todos los estudiantes de Ingeniería, este programa en este tiempo es muy

importante usarlo, ya que tiene miles de aplicaciones de uso, desde proyectos

sencillos hasta el uso en la industria, es un revolucionario entorno de desarrollo

gráfico con funciones integradas para realizar adquisición de datos, control de

instrumentos, análisis de medida y presentaciones de datos (Fig. 2.7).

A diferencia de los lenguajes de propósito general, tiene funciones específicas

para acelerar el desarrollo de aplicaciones de medida, control y

automatización.

También proporciona herramientas muy potentes para crear aplicaciones sin

líneas de código. Se pueden colocar objetos ya construidos para crear

interfaces de usuario rápidamente. Después especificar las funciones del

sistema construyendo diagramas de bloques.

Puedo conectar de manera transparente con todo tipo de hardware incluyendo

instrumentos de escritorio, tarjetas insertables, controladores de movimiento y

controladores lógicos programables (PLCs).

Inclusive puedo conectar con otras aplicaciones y compartir datos a través de

Web, TCP/IP y otros.


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Fig. 2.7 Entorno LabView.

Emplazamiento de torres meteorológicas:

Estación meteorológica numero 1

Se siguieron las recomendaciones vistas en las sesiones de la especialidad de

eólica, en el tema de “estimación y medición del recurso eólico”, para este

proyecto se tendrán dos sitios sugeridos, que se muestran en la figura 2.8 de

mapas google V.10.

Fig. 2.8 mapas Google V.10

Se tendrán 2 torres colectoras marcadas con los números 1 y 2 en el mapa

Google, estas posiciones son las mejores posiciones por estar en frente a la

dirección del viento con más frecuencia.

En la figura 2.9 se muestra la posición de la torre 1. La estación meteorológica

esta insitu, y los datos son recolectados diario para mantener el historial al día.


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Fig. 2.9 Posición de la estación metereologica 1.

Esta estación tiene una altura de 10 mts., y ya ha sido instalada para su

campaña de mediciones. La Figura 2.10 muestra la torre colocada en el sitio.

Fig. 2.10 Estación meteorológica 1 del proyecto.

Estación meteorológica 2.

Se alzó una segunda torre donde están los sensores de velocidad y dirección

del viento, también se instaló una caja donde se tiene el microcontrolador y los

sensores de temperatura y humedad. Las dos torres están a 5 ms. Una de la

otra, y esto favorece en la comparación de datos obtenidos. En la figura 2.11

se muestra la posición de las dos torres ya instaladas.


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Fig. 2.11 Estación meteorológica 1 y 2 del proyecto.

2.2.- ProblemaPara la realización del proyecto se tuvo que utilizar un panel solar para

la carga de batería de 12 volts, y diseñar su regulador.

En relación con la toma de datos de energía producida por el aerogenerador se

ha estado atrasando por la falta de decisión de la administración para dotar de

un gabinete adecuado para completar la instalación del sistema.

En relación a la toma de datos periódicamente se ha tenido el apoyo del

alumnado, así como la fabricación de la caja y torres.

También se tuvo el apoyo del departamento de sistemas para poder realizar el

enlace de internet en la publicación de la página de internet.


23

2.3.- Participantes

Los alumnos de la carrera de Energías Renovables de la División de Desarrollo

científico y Tecnológico de diversas generaciones se han dado el apoyo

desinteresado para la realización del proyecto.

La Universidad Tecnológica de Nuevo Laredo en su departamento de sistemas

brindo el apoyo para la publicación de la página WEB de los datos

meteorológicos.

2.4.- Población

Dentro de la División de Desarrollo Científico y Tecnológico, se cuenta con las

carreras de Energías Renovables, Mantenimiento Industrial y Mecatrónica,

cada cual a su vez cuenta con diferentes software de instrumentación como el

Labview 2013.

2.5.- Muestra

El plan es de tomar datos a diario por la estación meteorológica de la torre 1, lo

cual se tomará una muestra de 1 mes, de la estación meteorológica de la torre

2 se obtendrán datos de 1 semana, a su vez se tomaran datos de energía

producida por el aerogenerador de la universidad y se tomarán datos por dos

horas, para relacionarlos en conjunto y dar una conclusión.


24

CAPITULO III

METODOLOGÍA

3.1 Obtención de Datos para la Realización de Proyecto

Para la realización del proyecto se siguieron los pasos mostrados en el

siguiente diagrama de flujo.

Fig. 3.1 Diagrama de flujo del proyecto.


25

3.2 Instalación de Estación meteorológica Torre 1.

Como se mencionó anteriormente, se realizó la instalación de la torre 1 como

practica de campo por los alumnos de 9º tetramestre de Energías renovables,

se le dio una altura de 10 m., y se alineo la dirección con el norte geográfico

según instructivos de la estación.

Obtención de datos diarios de variables meteorológicas.

El software que trae dicha estación es la EASY WEATHER, y se programó

para obtener datos con una frecuencia de 10 minutos entre cada toma,

enseguida se muestra como los datos son leídos y almacenados en la

memoria, este los puede contener hasta dos semanas, para ser extraídos, sino

la memoria se llena y deja de almacenar datos. Para solucionar este problema

un alumno semanalmente vacía la información, una vez llena purga la memoria

del panel.

Fig. 3.2 Muestra de los datos importados del software EASYWEATHER.

Estos datos deben ser manipulados para guardarse en un archivo de EXCELL,

para darle buena presentación.


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Fig. 3.3 Los datos mostrados en EXCELL.

Ya en EXCELL se puede aprovechar el potencial para graficar, analizar datos

etc.

Enseguida se muestra la colección de datos en el panel de la estación, en la

locación de la torre.

Fig. 3.4 La torre 1 y el panel de adquisición.


27

3.3 Elaborar programa de adquisición de datos para ARDUINO.

Antes de empezar a elaborar el programa para la adquisición de las variables

meteorológicas se deberá tomar en cuenta la naturaleza de los sensores, para

saber qué tipo de acondicionamiento se requiere, para la realización de las

rutinas de programación del ARDUINO. Entonces se trabajará en la

elaboración de interfaces que permitan ser conectadas a los puertos de

entrada/salida del microcontrolador.

3.3.1 Sensor de velocidad del viento.

Acondicionamiento del Anemómetro.

La velocidad del viento está determinada por la cantidad de revoluciones del

anemómetro en una unidad de tiempo (segundos), con las medidas exactas del

anemómetro se ha encontrado el perímetro (Figura 3.5), a modo de una

circunferencia:

Radio R = 7.1cm R = OA Ec.1

Perímetro P = 44.61cm P = 2πR Ec.2

Cada vez que el viento sopla las copas, nos dice que el viento recorre una

distancia equivalente a dar una revolución del anemómetro (Ec. 2), cada

revolución se multiplica por la cantidad de número de pulsos en un segundo

que ingresan al ARDUINO por el puerto digital 2.


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Fig. 3.5. Dimensiones del anemómetro

Este sensor funciona a manera de un pulsador (Fig. 3.6) por lo que implemente

su acondicionamiento es ponerlo en serie con una resistencia hacia tierra, es

decir siempre permite el ingreso de cero voltios al microcontrolador cuando del

anemómetro está en reposo, cuando el anemómetro da una revolución el

circuito se cierra pasando por los 5 V entonces el microcontrolador detecta un

cambio de estado de 0 lógico a 1 lógico.

Fig. 3.6. Acondicionador para el anemómetro

Puesto que es un sensor de efecto HALL el que tiene en sus interior junto con

un imán al que detecta al hacer un giro, esto produce que cierre un interruptor

en cada giro que hace, contando los giros, se puede traducir en una velocidad

proporcional al viento, para sacar la relación de vueltas por metro se requiere

computar el diámetro de las copas contra el numero de giros, ver la figura 3.7

Fig. 3.7 Sensor efecto HALL.


29

Evaluar programación de ARDUINO, para medir velocidad del viento.

Para evaluar la programación del ARDUINO, se siguieron los siguientes pasos:

Se grabará el ARDUINO utilizando el programa ARDUINO IDE.

Generar una onda cuadrada de las frecuencias equivalentes a la

velocidad del viento, utilizando el equipo de calibración FLUKE 5520.

Monitorear la respuesta del ARDUINO en el monitor PC.

Comparar resultados.

La fig. 3.8 muestra el programa bajo evaluación para el anemómetro,

utilizando el calibrador Fluke 5520A se generan varias frecuencias de

pulsos que para emular las revoluciones del anemómetro en función del

viento, así creando una tabla comparativa donde se tiene la velocidad del

viento en m/s, la frecuencia equivalente y el dato observado en la PC.


30

Fig. 3.8 Programa de evaluación para el anemómetro.

Fig. 3.9 Circuito de prueba, el anemómetro fue reemplazado por el

calibrador.

Fig. 3.10 Mesa de trabajo, en el desarrollo de la medición.

Velocidad m/s Frecuencia degiro, Hz

Datos desalida(PC)

1 1.49 12 2.99 23 4.99 34 5.98 45 7.48 5Tabla 3.1 Datos introducidos vs. Medidos para medición del viento.


31

3.3.2 Sensor de dirección del viento.

Circuito Equivalente de la Veleta

La veleta suele transmitir la información mediante la variación de un

potenciómetro interno por la acción o movimiento que el viento provoca, este

pudiendo ser de hilo bobinado o un potenciómetro capacitivo por lo que nos es

necesario acondicionarla, la señal que entrega se lo envía directamente a la

entrada del ARDUINO para convertirla de analógica a digital en un rango de 0

a 5 voltios (Fig. 3.11).

Figura 3.11 Circuito equivalente de la veleta

El puerto utilizado seria el A5, pin 5 de la entrada analógica del ARDUINO.

Evaluar programación de ARDUINO, para medir dirección del viento.

Puesto que la veleta utilizada en nuestro prototipo tiene un arreglo de

resistencias, que varia según el ángulo de posición, se utilizó una década de

resistencias de precisión al 1% de tolerancia, para emular el ángulo de giro.

Luego a través de un circuito acondicionador regular la señal de voltaje a la

entrada del ARDUINO, enseguida se muestran los pasos que se siguieron para

probar el programa de evaluación:

Grabar el programa mostrado en ANSY-C, en el ARDUINO IDE.

Probarlo en el laboratorio con el equipo de prueba.

o Equipo de calibración FLUKE 5520A


32

o Década de resistencias de precisión.

o Monitor de PC (mi Laptop).

Realizar tabla de mediciones.

Fig. 3.11 Programa de evaluación para la veleta.

Fig. 3.12 Circuito de prueba, la veleta fue reemplazada por la década de res.


33

Fig. 3.13 En la mesa de trabajo, haciendo las mediciones.Dirección engrados

Resist. EnOhms

Voltaje (V= 5,R= 10kΩ)

Dirección(PC)

0 33k 3.84 N22.5 6.57k 1.98 NE45 8.2k 2.25 NE67.5 891 0.41 E90 1k 0.45 E112.5 688 0.32 E135 2.2k 0.9 SE157.5 1.41k 0.62 SE180 3.9k 1.4 S202.5 3.14k 1.19 S225 16k 3.08 SW247.5 14.12k 4.62 W270 120k 4.78 W292.5 42.12k 4.04 NW315 64.9k 4.78 W337.5 21.88 3.43 N

Tabla 3.2 Datos introducidos vs. Medidos para la dirección del viento.

3.3.3 Sensor de Temperatura y humedad.Circuito DHT11 de Temperatura y humedad.En caso de este sensor no hace falta una interface ya que conecta

directamente al ARDUINO, en el puerto analógico A0, pin 0 en la tablilla.

El circuito completo seria el siguiente:


34

Fig. 3.14. Conexión de sensores en el ARDUINO.

Programación del ARDUINO.

De acuerdo a la forma que funciona el sensor DHT11, se tiene que elaborar lo

siguiente:

Proceso de Comunicación: Interface Serial (Solo-alambre bidireccional)

Formato de datos solo-bus es usado para comunicación y sincronización entre

el MCU y el sensor DHT11. Un proceso de comunicación es alrededor de 4ms.

Data consiste de partes enteras y decimales. Una data de transmisión es de 40

bits, y el sensor envía los bits de data mayores primero.

Formato de Data: data RH entero de 8 bit + data RH decimal de 8bit + data T

entero de 8bit + data T decimal de 8 bit + check sum de 8 bit. Si el data de

transmisión esta bien el check-sum sería de al menos 8 bit de “8 bit If the data

transmission is right, the check-sum should be the last 8bit of " data RH entero

de 8 bit + data RH decimal de 8bit + data T entero de 8bit + data T decimal de

8 bit ".

Proceso de comunicación global (Fig. 3.15, abajo)


35

Cuando MCU envía una señal de arranque, DHT11 cambia desde el modo de

bajo consumo para el modo de funcionamiento, esperando MCU completando

la señal de partida. Una vez completado, DHT11 envía una señal de respuesta

de 40 bits de datos que incluyen la humedad relativa y temperatura información

de MCU. Los usuarios pueden elegir recoger algunos datos (lectura). Sin la

señal de inicio de MCU, DHT11 no dará la señal de respuesta al MCU. Una vez

que se recaben datos, DHT11 cambiará al modo de bajo consumo de energía

hasta que recibe de nuevo una señal de inicio de MCU.

Fig. 3.15 Proceso grafico de comunicación global.

MCU Manda una señal de arranque al sensor DHT11 (Figura 3.11, abajo)

Data de solo-bus de estado libre está a nivel alto de voltaje. Cuando se inicia la

comunicación entre MCU y DHT11, el programa de MCU colocará el nivel de

tensión del data de un solo bus de alto a bajo, y este proceso debe tener al

menos 18 ms para asegurar la detección de la señal de MCU de DHT,

entonces MCU jala la tensión hacia arriba y espera 20 -40µs la respuesta de

DHT.


36

Fig. 3.16 MCU Manda una señal de arranque al sensor DHT11.

DHT Responde al MCU (Fig. 3.17) Una vez que DHT detecta la señal de

partida, se enviará una señal de respuesta de baja tensión, que dura 80µs.

Entonces el programa de DHT establece el nivel voltaico de Solo-bus de datos

de baja a alta y mantiene durante 80µs para preparación de DHT para enviar

datos. Cuando solo-Bus de datos está en el nivel de voltaje bajo, esto significa

que la DHT está enviando la señal de respuesta. Una vez DHT envió la señal

de respuesta, tira a tensión y mantiene durante 80µs y se prepara para la

transmisión de datos. Cuando DHT está enviando datos a MCU, cada bit de

datos comienza con el 50µs baja tensión y la longitud de la señal de alto nivel

de tensión siguiente determina si el bit de datos es "0" o "1" (ver las figuras

3.17 y 3.18 infra).

Fig. 3.17 Indicación de Data “0”.


37

Fig. 3.18 Indicación de data “1”.Si la señal de respuesta de DHT está siempre en el alto nivel de tensión,sugiere que la DHT no responde correctamente y por favor, compruebe laconexión. Cuando se transmite el último bit de datos, DHT11 baja el nivel detensión y mantiene unos 50µs. Entonces el voltaje solo-bus se va desplazandopor la resistencia para fijarlo a la condición libre.El programa de ARDUINO puede ser consultado en el ANEXO A.El programa se comunica a la PC por medio de comunicación serial, y puede

ser monitoreado con cualquier programa monitor, solo configurar el puerto a

9600 Baud rate, no bit de stop, no paridad.

Sensores de velocidad del viento y dirección, Anemómetro y veleta dedirecciones.

Para la programación del ARDUINO en estos sensores se utilizó la rutina de

programación del ANEXO B, donde puede ser consultado.

Los datos al igual con los sensores de temperatura y humedad, se reciben en

la PC a través del puerto serial por el USB, y pueden ser monitoreados a través

del mismo monitor serial de su predilección.


38

3.4 Aprender a configurar Zig Bees

Ahora que ya funciona nuestro programa perfectamente, esto es ya tenemos

los datos observados en nuestro monitor, con una periodicidad conveniente, es

tiempo de trabajar nuestro ARDUINO en modo inalámbrico.

Para lograr esto emplearemos XBEES de maxStream, hay de varios tipos, la

serie 1, serie 1 pro, series 2 y serie 2 pro. Para el proyecto emplearemos la

serie 1 pro, con un alcance en línea de 1600 mts..

Veamos algo de teoría antes de programarlos.

Los módulos XBee de MaxStream permiten enlaces seriales de señales TTL

en distancias de 30 metros en interiores, 100 metros en exteriores con línea de

vista y hasta 1.5 Km con los módulos Pro.

Fig. 3.19 Modulo XBEE de MaxStream

Fig. 3.20 XBee Shield montado sobre la placa Arduino


39

Lós módulos XBee utilizan el protocolo IEEE 802.15.4 mejor conocido como

ZigBee. Este protocolo se creó pensando en implementar redes de sensores.

El objetivo es crear redes tipo mesh que tengan las propiedades de auto-

recuperación y bajo consumo de energía.

Tomado de Wikipedia (http://en.wikipedia.org/wiki/Zigbee ), las áreas de

aplicación son:

- Entretenimiento en casa y control – iluminación inteligente, control

avanzado de temperatura, seguridad, películas y música.

- Hogar Prevenido – sensores de agua, sensores de potencia,

electrodomésticos inteligentes y sensores de acceso.

- Servicios Móviles – pagos móviles, monitoreo y control móvil, seguridad y

control de acceso móvil, cuidados de salud móviles y tele asistencia.

- Edificios comerciales – monitoreo de energía, HVAC, iluminación y control

de acceso.

- Plantas industriales – control de procesos, gestión de ventajas, gestión

ambiental, gestión de energía y control de dispositivos industriales.

En nuestro caso particular vamos a utilizar los módulos de XBee para crear

una comunicación serial inalámbrica entre una computadora y un Arduino.

Materiales necesarios

- 2 módulos XBee Shield

- 2 placas Arduino, una de ellas SIN el microcontrolador (hay que tener cuidado

especial al retirarlo para no doblarle los pines)

- Un LED

- Un eliminador de 9V para alimentar el Arduino remoto

- Un cable USB para conectar el Arduino local a la computadora


40

Configuración inicial

De fábrica cada módulo XBee viene configurado con un PAN ID (el

identificador de la red personal) de 3332 y configurados con una tasa de

transferencia de 9600 baudios, con datos de 8 bits, sin paridad y 1 bit de paro.

Cada XBee Shield tiene un par de jumper para definir si la comunicación serial

se realiza hacia el puerto USB o hacia el módulo XBee. Como primera prueba

vamos a configurarlos para interactuar con el puerto USB, esto quiere decir

poner ambos jumper en la posición externa de los pines, en la figura 3 puede

verse la ubicación de tales jumper.

Fig. 3.21 Ubicación de los jumper selectores

Podemos utilizar el programa Hyperterminal en Windows para comenzar a

configurar el módulo XBee. Otras alternativas son el Serial Monitor que viene

integrado en el entorno de programación de Arduino o el programa Bray++

Terminal

(http://hubbard.engr.scu.edu/embedded/avr/software/Terminal.exe ).

El comando necesario para comenzar la interacción es +++, esto es, tres

signos de suma consecutivos. Tecleándolos debemos de recibir como


41

respuesta un OK. En la fig. 3.22 podemos ver la entrada en la parte inferior y la

respuesta en la parte superior.

Fig. 3.22 Estableciendo conexión con el módulo XBee

Una vez establecida la conexión sólo tenemos 5 segundos para interactuar con

el módulo.

Después de ese tiempo, el módulo regresa a su estado nativo y para volver a

interactuar tenemos que teclear +++ nuevamente.

Cada comando que le ingresemos debe ir precedido por las letras AT. Este es

el típico modo de operación de módems.

La tabla de comandos más usuales la podemos obtener en

http://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoXbeeShield

Usaremos para la conexión a la computadora la placa Arduino SIN el

microcontrolador ATMEGA328. La razón de esto es que de esa manera

podemos directamente interactuar vía USB con el módulo XBee.


42

Para este ejemplo proponemos la siguiente configuración: un PAN ID de 3332,

un módulo con dirección 0 y otro módulo con dirección 1. El módulo con

dirección 0 será el que estará conectado a la computadora y el módulo con

dirección 1 será el módulo remoto.

Para configurar el primero con la dirección 0, velocidad 9600 8-n-1 y

comunicación con el módulo de ID1 usamos el siguiente comando:

ATID3332,DH0,DL1,MY0,BD4,WR,CN

Las letras AT le indican al XBee que le vamos a enviar comandos. ID3332 le

define un PAN ID de 3332, DH0 y DL1 definen la dirección 01 como el XBee

con el que se estará comunicando, el comando MY0 define la dirección propia

como 0, BD4 define la velocidad en 9600, el comando WR escribe la

configuración a la memoria y el CN cierra la configuración.

Paso siguiente es conectar el segundo XBee shield al Arduino sin micro.

Configuramos de la misma manera. ¿Qué cambios se realizaron en el

siguiente comando?:

ATID3332,DH0,DL0,MY1,BD4,WR,CN

Después de terminada la configuración ya estamos en condiciones de

establecer una comunicación entre los dos módulos XBee.

Programando el Arduino remoto

Vamos a colocar el módulo XBee con dirección 1 en el Arduino que SÍ tiene

microcontrolador y lo vamos a programar con un código que envía vía serial

una cuenta numérica. También vamos a incluir una lectura del puerto serial

para saber si se ha recibido un carácter en particular y en caso afirmativo

conmutar el estado del LED conectado al pin 13.

Es importante remover el módulo XBee de este Arduino mientras lo

programamos para que podamos establecer la comunicación serial.

/* Prueba Serial =============


43

Este programa se utiliza para enviar una cuenta por la conexión serial del

Arduino y leer si se recibe un carácter para cambiar el estado del LED

conectado al pin 13

Félix E. Guerrero

Verano 2008

*/

int cuenta = 0;

char recepcion;

int estado = 1;

void setup() {

Serial.begin(9600);

}

void loop() {

Serial.print(cuenta);

Serial.println();

delay(1000);

cuenta++;

// leer del serial

recepcion = Serial.read();

if (recepcion == 'x')

{

estado = !estado;

digitalWrite(13,estado);


44

}

}

Después de cargar este código podemos probarlo abriendo una conexión serial

hacia el Arduino. Debemos de observar una cuenta ascendente y cuando

enviamos el carácter x debemos observar un cambio en el estado del LED

conectado al pin 13. NOTA: parece que la primera vez que recibe la x no la

reconoce como válida. Hasta la 2da ocasión es cuando comienza a conmutar

el LED.

Probando la comunicación inalámbrica

Una vez programado el Arduino lo vamos a desconectar del USB y a colocar

en otro sitio, donde podamos alimentarlo con el eliminador de 9V. También

vamos a conectarle el módulo de XBee Shield para que pueda comenzar a

transmitir inalámbricamente la cuenta ascendente. Debemos asegurarnos que

los jumperes estén hacia el interior del Arduino, es decir, en la posición XBee.

En la computadora vamos a conectar al USB el Arduino SIN microcontrolador

con el XBee Shield de dirección 0 y vamos a abrir el Hyperterminal. Después

de unos segundos debemos de empezar a observar la cuenta ascendente y

cuando tecleamos la x debemos de lograr que el estado del LED cambie.

Fig. 3.23 Recibiendo datos inalámbricamente


45

Siguiendo el procedimiento escrito arriba se utilizaron un XBEE shield en el

arduino y un XBEE explorer el lado de la PC. Así lo mostramos en la siguiente

imagen.

Figura 3.24 Placa XBEE explorer y su conexión a la PC.

Al ARDUINO programado, se le montará el XBEE shield, y una alimentación

portátil, como una batería de 9V, Para que sea remota.

Haciendo conexión del arduino con el sensor DHT11 e instalando los XBEE en

ambos, quedaría como lo muestra la siguiente imagen, el ella se muestra el

ARDUINO con el XBEE y el escudo XBEE conexión, como sistema de

adquisición de datos, se muestra la conexión del sensor DHT11.

Fig. 3.25 Conexión del ARDUINO y los XBEE.


46

En la parte de debajo de la figura 3.26 se muestra el XBEE como receptor

montado en la tarjeta XBEE EXPLORER de Sparkfun electronics.

En las siguientes imágenes se ve con las claridad las conexiones tanto del lado

transmisor como la de recetor.

Fig. 3.26 El ARDUINO y XBEE como transmisor, y la figura con el XBEE con la

plantilla EXPLORER.

Para probar el enlace inalámbrico, se puede utilizar cualquier programa monitor

serial, en este caso se usará el programa “Terminal v1.9b”, de los cuales me

ha parecido mejor, pero incluso se tiene el monitor serial de ARDUINO.

Figura 3.27 Programa monitor de puerto serial “Terminal v1.9l”


47

Lo importante es la configuración de los parámetros del protocolo de

comunicación que deben de corresponder con los programados en el

ARDUINO. En este caso arriba se muestra el menú donde deben ser

escogidos y señalados. También debe ser escogido el puerto serial, por lo

general el programa lo detecta para usted lo configure.

En la imagen se detalla como el ARDUINO manda datos y se refrescan de

acuerdo a la periodicidad que se colocó en el programa de operación del

ARDUINO.

3.5 Medidor de energía producida del aerogenerador

Para monitorear la energía producida por el aerogenerador AIR40, utilizaremos

el circuito integrado ACS758 para medir corriente, es de tipo efecto HALL, que

es superior a los de tipo divisor de voltaje resistivos. Para la medición de

voltaje se elaborara un divisor de tensión con el consabido que el

aerogenerador tiene un rango de operación de 0 a 18 volts.

Se armó el circuito mostrado a continuación:

Fig. 3.28 detalle de circuito medidor de corriente y voltaje en aerogenerador.


48

En el circuito se muestra que el sensor es de tipo invasivo, ya que se tiene que

integrar al circuito alimentador del banco de baterías, la señal de salida del

sensor ACS758, es alimentado al ARDUINO en el pin A0.

El circuito divisor de tensión es calculado para escalar el rango de operación

del aerogenerador, y bajándolo al rango de operación del ARDUINO.

En la figura a continuación muestra el programa utilizado para manejar el

ARDUINO, para leer los datos del aerogenerador, y con una frecuencia de

operación ser mandados a la PC y ser grabados.

para

Fig. 3.29 Programación de ARDUINO para toma de corriente y voltaje de

aerogenerador.

A continuación se muestra la tabla tomada de los datos obtenidos de voltaje y

corriente a diferentes velocidades del viento. Como se observa no se


49

obtuvieron datos cuando la velocidad del viento era menor de 3 m/s, debido al

diseño del aerogenerador, y no se obtuvieron datos de velocidad mayores de

10 m/s.

Velocidad delviento (m/s)

Corrientemedida

voltaje

3 0.25 12.324 1.38 12.365 1.6 12.976 2.01 12.397 2.77 12.968 3.14 12.439 4.78 12.741011Tabla 3.3 Relación de voltaje y corriente de aerogenerador vs. Velocidad del

viento.

3.6 Elaborar programa exhibidor y registro LABVIEW

Ya habiendo elaborado la comunicación de manera efectiva es necesario dar

una representación de los datos de manera profesional y atractiva, LABVIEW

reúne estos requisitos por ser una plataforma de interface gráfica, y su

capacidad de manejar grandes cantidades de información sin descuidar la

precisión y rapidez de comunicación.

Un programa de LABVIEW consta de dos partes, el “panel principal” y el

“diagrama de bloques”, en el panel principal asemeja a un Instrumento de

medición literalmente, donde se tiene los controles e indicadores del aparato.

El diagrama de bloques es como si fueran las circuiterías internas necesarias

para el correcto funcionamiento del instrumento, cuando se tiene terminado el

programa los nombres que se les da a los archivos, tienen una extensión .vi,

que nos recuerda que lo creado es un instrumento virtual, o simula un

instrumento físico.

Para realizar el programa se llevan los siguientes pasos:


50

Resolver el problema de comunicación.

Realizar una rutina de manejo de los datos.

Realizar el registro de datos.

La rutina de retardos para que sea ajustado el tiempo de muestreo.

Resolver el problema de comunicación.

LABVIEW tiene librerías para el manejo de datos por los puertos de

comunicación ya sean seriales, paralelos, manejo de redes etc., en nuestro

caso el puerto utilizado seria el serial, por medio del USB de la computadora.

En la siguiente figura se muestran los comandos involucrados en la

comunicación:

Fig. 3.28 Rutina de comunicación del programa.

El icono de “VISA terminal” es una función que se encarga de configurar el

puerto de comunicación serial, en él se configura los BAUDIOS, que en nuestro

caso en el programa del ARDUINO fue de 9600, Data bits de 8, no- paridad, 1

bit de parada y no-handshaking. También este programa trae el puerto 0 como

defecto, pero si necesita ser cambiado manualmente de le agrega un control a

manera de selector como lo muestra la figura con el apelativo de “VISA

resource name”.


51

Observe que las líneas de conexión se ponen moradas, indicando que el tipo

de datos que vienen por el puerto son caracteres ASCII.

También se le coloca un indicador de error, si acaso ocurre para que sea uno

avisado y por lo tanto corregido, ya que da un código de error, ayudando a

localizarlo.

Otra parte también importante en la función de “VISA read”, es el “property

node” que controla la lectura de los datos cuando son detectados por él mismo,

una vez leído, espera por las cadenas de datos siguientes, abriendo la lectura

de “VISA read” una y otra vez.

La salida es de color rosa, indicando que una cadena de caracteres ASCII. La

salida azul da un checksum de esta cadena de caracteres, esto es, da un

numero de la extensión de la palabra esto nos será muy útil en los siguientes

pasos.

Realizar una rutina de manejo de los datos.

La siguiente figura muestra esta parte del programa, teniéndose los caracteres

en una palabra es necesario cortar lo que no hace falta y solo tomar los datos

que deben ser utilizados para el procesamiento, entonces así lo hace.


52

Fig. 3.29 Procesamiento de datos, cuando el evento falso de la estructura case

.

Los datos que llegan como cadena de caracteres por el alambre de conexión

rosa son los siguientes:

“Humedad relativa = xx.xx%;Temperatura=xx.xxC” da un largo de 47

caracteres.

“ Direccion:yy Velocidad del viento:yy.yy” da un largo menor a 47

caracteres.

Esta información viene por la línea azul, me sirve para controlar la posición de

una “estructura case” de control lógica, para poder manejar los dos casos por

separado, de tal manera que cuando el dato es comparado si es igual o mayor

a 47, la estructura es verdadera y trabajo con la “temperatura y humedad”, si al

contrario, el dato es menor a 47, entonces la estructura case es falsa, entonces

trabajo con las variables “velocidad y dirección del viento”.

En este caso de la fig. 3.29 se usan dos funciones “String Subset”, que ubican

los datos utilizables dentro de la extensión de la cadena de caracteres, y la

longitud de corte necesaria, el resultado son cadena de caracteres en línea

rosa pero solo los valores yy también yy.yy.

En la variable velocidad del viento, solo es necesario exhibir los resultados, se

decidio por un indicador numérico y un gráfico, para el numérico no hay gran

problema, solo el indicador grafico es necesario convertir los datos ASCCII al

tipo de numérico de precisión, por eso fue el cambio de color de las líneas, de

rosa a naranja.

Para la variable de “dirección del viento” fue necesario además una estructura

case, para dar un valor numérico a las letras de dirección, para poder utilizar

un indicador grafico tipo reloj, y así asemejar más a la rosa de vientos que es el

indicado en eólica.


53

Figura 3.30 Procesamiento de datos, cuando el evento verdadero de la

estructura case.

En la figura 3.30 se puede ver que el procedimiento para las variables

“humedad y temperatura” es semejante que el de la variable “velocidad del

viento”. En ambos casos se decidió un indicador numérico y uno gráfico.

Realizar el registro de datos

En la siguiente figura muestra la etapa de la recolección de datos para

grabarlos en un archivo de texto. Se ha creado un WHILE LOOP que nos sirve

para dos propósitos, uno para controlar la finalización del programa mediante

un control STOP, y el otro para grabar en SHIFT REGISTERS, los datos

manipulados mientras ciclan los eventos en el tiempo.


54

Fig. 3.31 Rutina de la base de datos.

Lo medular de esta parte es la construcción de ARRAYS, para colocar los

datos en renglones y columnas, para eso se utilizaron las funciones de

construcción e inserción, luego el control de la tabla nos da la manera de

modificar la tabla, para luego terminar con la función de escritura a un archivo

nos ayuda a guardar los datos. En esta función se escoge el nombre del

archivo y la ubicación en la PC.

La rutina de retardos para que sea ajustado el tiempo de muestreo.

El programa del ARDUINO manda datos cada minuto, pero si usamos esta

información, vamos a saturar las memorias de la computadora, además para

un buen estudio de vientos es recomendable que los datos sean al menos de

un periodo de 10 minutos. Siendo así y aprovechando la capacidad de

LABVIEW le sacamos provecho y creamos un ciclo exacto de 10 minutos, se

logró a través de varias medidas que se elaboraron con resultados excelentes.

La base de tiempo obtenida fue de 300000 ms. La función es un retardo de

evento.

La siguiente figura muestra como quedo el panel de control terminado así

como el diagrama de bloques.


55

Figura 3.32 Panel de control.

Se observa como cada variable tiene su indicador numérico así como su

representación gráfica, cuando fue tomada esta imagen no se tenía conectada

la torre 2, lo que solo se observan bien los datos de temperatura y humedad.

Se observa la tabla de base de datos, y la hora y fecha de captura, observe

que son exactamente cada 10 minutos.

Fig. 3.33 Diagrama de bloques completo.


56

3.7 Configurar conexión a RED y publicar en página WEB.

El monitoreo del sistema de adquisición de datos desde un computadora

remota, es una de las principales metas de este proyecto para lograr que la

comunidad tenga acceso a los datos meteorológicos al día. Para completar

esta tarea se configuran tanto la red local de Internet PRODIGY

Proporcionada por la compañía TELMEX, como el servidor web del

instrumento virtual.

Configuración del servidor web en LabVIEW

LabVIEW ya cuenta con su propio servidor web que hace posible subir los

instrumentos virtuales a Internet, dando una dirección URL al sistema con el IP

de la computadora. No obstante, antes de activar el servidor web se tienen que

configurar los puertos de acceso al instrumento virtual, es decir, especificar el

puerto a través del cual se tendrá acceso al programa, cabe mencionar que

LabVIEW emplea el puerto 80 como puerto predeterminado. Si los servidores

de LabVIEW y otros se ejecutan al mismo tiempo, se presentarán problemas

por tratar de accesar al mismo puerto.

Debido a lo anterior, en LabVIEW se debe modificar el puerto teniendo cuidado

de no usar un puerto ya reservado en el estándar ethernet dejando los demás

servidores en el puerto 80.

La IANA (Internet Assigned Number Authority) es una organización que agrupó

la asignación de los puertos estándar en tres categorías:

Puertos bien conocidos que van del 0 al 1023 y son reservados para

servicios ya conocidos.

Puertos registrados comprendidos entre 1024 y 49151.

Puertos dinámicos y privados comprendidos entre los números 49152 y

65535.

El puerto se escoge de entre los puertos registrados porque sirve como puerto

de contacto con clientes desconocidos. En nuestro caso se seleccionó el


57

puerto numero 5001 porque no tiene un servicio asignado. Para mayor

información visitar http://www.zator.com/Internet/N_11.htm y el anexo donde

se muestra una tabla de los servicios que ocupan los puertos del 0 al 1080.

Para asignar el puerto 5001 en el servidor web de LabVIEW, se selecciona en

la barra de menú la opción Tools y posteriormente la casilla de Options.

Aparecerá una ventana como lo muestra la Figura 3.34 y ahí se selecciona la

opción Web Server:

Configuration, en esa ventana se debe configurar el puerto http que se usará

para tener acceso al sistema Datalogg3.

Fig. 3.34 Configuración del Servidor Web de LabVIEW

Para conocer la dirección URL por la cual se tendrá acceso al sistema

Datalogg3 es necesario habilitar el servidor web de LabVIEW.

Primero hay que accesar en el servidor web del instrumento virtual en el que se

está trabajando, desde la pantalla principal de LabVIEW. Para ello, se

selecciona en la barra de menú la opción Tools y se selecciona Web

Publishing Tool, posteriormente, se abrirá una ventana como se muestra en la

Fig. 3.35.


58

Fig. 3.35 Menu de herramientas “Web Publishing Tool”.

En la figura 3.35, se selecciona el instrumento virtual en el que se va a habilitar

el servidor web de LabVIEW. También se pide especificar el “Modo de

Visualización”, para seleccionar la manera de presentar el archivo en red. En

nuestro caso escogemos el de “Monitor”, pues no se quiere que cualquiera

tenga la facultad de manipular los controles, ni solo mostrar una imagen fija,

más bien lo que se requiere es que nuestra página se refresque con una

frecuencia determinada, en mi caso cada 10 segundos. Lo que sigue es

colocarle un encabezado y frases de bienvenida para que sea visto por el

público en general.

Al oprimir próximo, se abre una ventana mostrando el directorio de destino del

archivo, el nombre del archivo y la dirección URL que nos servirá como link en

internet.


59

Fig. 3.36 Figura que muestra la dirección URL donde queda.

3.8 Configuración de la red local

En México una de las compañías que proporcionan servicio de Internet es

TELMEX con su servicio PRODIGY INFINITUM, que provee mediante la línea

telefónica, conexión permanente a Internet de alta velocidad con tecnología

ADSL (Línea de abonado digital asimétrica). Este tipo de conexión proporciona

una IP fija. Parte de la dirección URL, de acceso al sistema, consiste en el IP

del router, por lo que una IP fija es necesaria para que la dirección web por la

cual se tiene acceso al sistema Datalogg3 no cambie.

El servicio de Internet PRODIGY INFINITUM cuenta con la opción de

configurar la red local por medio de la página web http://home/ (Fig. 3.37). A

continuación se explicarán los pasos para configurar la red y obtener la

dirección para la cual los usuarios remotos puedan tener acceso a la

computadora donde reside el sistema Datalogg3.


60

Figura 3.37 Pagina Home de Prodigy.

Se debe crear una aplicación accesando al recuadro de Bloqueo de Intrusos,

en la ventana de Modificar Configuración del sistema de bloqueo de intrusos se

selecciona Agregar una nueva aplicación definida por el usuario. La aplicación

debe llevar el nombre del sistema Datalogg3 y se especifica el puerto por el

cual se accederá a esta aplicación, que es igual al que se usó en la

configuración del servidor web de LabVIEW (ver Fig. 3.38).

Fig. 3.38 Configuración de la aplicación.


61

Una vez creada la aplicación, se tiene que especificar en qué computadora

podrá encontrarse. Por ejemplo, la red de Internet INFINITUM reconoce una

computadora con el nombre JuanManuel-PC, entonces en la ventana de

Modificar Configuración del sistema de bloque de intrusos se selecciona la

aplicación Datalogg3 y la computadora JuanManuel-PC, ver Fig. 3.39.

Fig. 3.39 Asignación de la aplicación

Fig. 3.40 Detalles de la aplicación.

Por último, en los Detalles del bloqueo de intrusos se puede observar las

Configuraciones personalizadas, es ahí donde se puede ver la IP pública del

router. Por lo tanto, la dirección URL que se deberá escribir, en un explorador

de Internet, para poder tener acceso al sistema es

http://189.235.11.146:5001/Datalogg3.html.


62

Como se ha detallado anteriormente, no es difícil efectuar la configuración de

Acceso remoto al sistema, sólo es indispensable contar con la conexión a

Internet PRODIGY INFINITUM que proporciona la compañía TELMEX. En las

pruebas realizadas, para poder ver el panel frontal en el explorador web en una

computadora, el cliente debe instalar un archivo flash que se descarga

automáticamente como requisito para ver el panel frontal, esto es debido a que

el cliente no tiene instalado en su computadora LabVIEW.


63

CAPITULO IV.

RESULTADOS

Durante el proceso de desarrollo del sistema se realizaron diferentes tipos de

pruebas de cada etapa.

A continuación se presentan las etapas evaluatorias para sacar una conclusión

sobre el sistema implementado.

En el ANEXO C se muestra una muestra de 33 datos de la torre 1, y 33 datos

de la torre 2, comprendidos entre las 7:00 am, a mediodía el 31 de marzo de

2014, para hacer los análisis de comparación.

4.1 Análisis estadístico del sistema implementado.

En los ensayos aleatorios y en los estudios observacionales de comparación,

entre el sistema implementado y el sistema de uso comercial para la

recolección de datos meteorológicos WEATHERWISE INSTRUMENTS, con la

muestra tomada de cada sistema se quiere establecer que los datos que

recolecta el sistema implementado se asemejan a los del sistema comercial

WEATHERWISE INSTRUMENTS.

Para esto se ha empleado un análisis estadístico siguiendo un procedimiento

objetivo por medio del cual se puede aceptar o rechazar un conjunto de datos

como confirmatorios de una hipótesis, conocido un nivel de confianza y el

riesgo que se corre al tomar tal decisión.

Una Hipótesis es una aseveración de una población con el propósito de poner

a prueba, para verificar si la afirmación es razonable se usan los datos o se los

rechaza. Al intentar alcanzar una decisión si el sistema implementado es

eficiente o no con respecto al sistema comercial WEATHERWISE

INSTRUMENTS, es útil hacer hipótesis sobre los datos muéstrales

recolectados, tales hipótesis que pueden ser o no ciertas son hipótesis nula y

alterna.


64

Hipótesis Nula Ho: si deseamos comprobar que tanto se aproxima el sistema

implementado al sistema comercial, formulamos la hipótesis de que no hay

diferencia entre ellos (o sea que cualquier diferencia observada se debe

simplemente a fluctuaciones en el muestreo de la misma población). Tales

hipótesis se suelen llamar hipótesis nula y se denotan por Ho, esta hipótesis es

aquella que nos dice que no existen diferencias significativas entre los dos

grupos de datos.

Hipótesis alterna H1: afirmación que se aceptará si los datos muéstrales

proporcionan evidencia de que la hipótesis nula es falsa.

Se debe recordarse esta comprobación de hipótesis sólo puede aplicarse en el

caso de que se haya procedimiento a un muestreo aleatorio de la población, lo

que nos permite garantizar que dicha muestra es representativa de la referida

población, al plantearnos estas dos hipótesis queremos demostrar que las

medias de los sensores de cada sistema son iguales.

Hipótesis:

H0 : µ1 = µ2…………………………………………………….ecu. 4.1

H1 : µ1 ≠ µ2……………………………………………………..ecu. 4.2

Donde:

H0 = Hipótesis nula

H1 = Hipótesis alternativa.

µ1 = media de la población 1

µ2 = media de la población 2

El procedimiento para probar la ecu. 4.1 es calcular la estadística de prueba Zpara muestras mayores a 30 para dos medias mediante la siguiente fórmula:


65

………………………………………………..ecu. 4.3

Donde:

__

X1 = media de la muestra 1(Torre 1)

__

X2 = media de la muestra 2(Torre 2)

σ21= varianza de la población 1(Torre 1)

σ22= varianza de la población 2(Torre 2)

n1 = tamaño de la muestra 1(Torre 1)

n2 = tamaño de la muestra 2(torre 2)

La hipótesis nula H0 se rechaza si:

Z > Zα/2 o Z < -Zα/2…………………………………..ecu. 4.4

Donde:

Z = Valor calculado estadístico prueba Z

Z α/2 = Valor obtenido de la tabla de distribución normal estándar Z (ver

ANEXO C).

α = Nivel de significación.

Es frecuente un nivel de significación de 0.05 o 0.01. Si por ejemplo se escoge

el nivel de significación 0.05 (o 5%), es decir tenemos un 95% de confianza de


66

que hemos adoptado la decisión correcta esto significa que tal hipótesis tiene

una probabilidad 0.05 de ser falsa (ver Figura 4.1).

Fig. 4.1. Área bajo la curva de una normal estándar

α= 0.05

1 - = zona de aceptación para Z α/2

1-0.025 =0.975 buscando el valor en la tabla de Distribución Normal Estándar

Z correspondiente a 0.975 encontramos Z α/2 = 1.96.

Se ha tomado muestras de datos para cada variable medida como

temperatura, humedad, velocidad y dirección del viento, tanto con el sistema

comercial como con el sistema implementado, aclarando que primero se ha

tomado un dato del sistema comercial y luego en un rango de 10 minutos

después con el sistema implementado, siendo esta diferencia de tiempo

necesaria ya que se usaron los mismos sensores para cada sistema.


67

4.1.1 Análisis de Velocidad del viento.

Para este análisis se ha tomado una muestra de 33 datos, para el sistema

comercial en función del tiempo, la mejor muestra que se pudo tomar fue en las

horas de la tarde por ser más intensa la velocidad del viento, cada resultado en

metros por segundo para cada sistema (Tabla 4.1). Utilizando el criterio de

decisión de la ecuación 4.4 para rechazar la hipótesis nula H0, nos damos

cuenta de que -1.81 es menor que -1.96 por lo cual aceptamos H0, existe una

fuerte evidencia para decir que las medias de los dos sistemas son iguales.

Tabla 4.1

Tiempo No. Demuestra

Torre 1 (m/s) Torre 2 (m/s)

6:50 1 2.4 3.27:00 2 3.4 3.47:10 3 2.7 3.77:20 4 4.1 3.87:30 5 2.4 3.77:40 6 2.7 4.17:50 7 3.1 4.18:00 8 2.4 4.48:10 9 4.1 4.28:20 10 3.7 4.28:30 11 3.4 4.28:40 12 4.4 4.48:50 13 2.4 4.99:00 14 3.4 4.39:10 15 3.7 3.99:20 16 4.4 4.79:30 17 3.4 4.29:40 18 3.7 3.89:50 19 4.1 4.410:00 20 4.4 4.510:10 21 3.7 4.010:20 22 4.4 3.410:30 23 4.1 3.810:40 24 4.3 3.8


68

10:50 25 4.1 3.611:00 26 3.4 3.511:10 27 3.4 4.011:20 28 2.7 3.211:30 29 3.7 3.411:40 30 4.8 3.511:50 31 3.7 3.812:00 32 4.4 3.612:10 33 4.4 2.2

De la Ecu. 4.1 encontramos Z = -1.81.

En la Figura 4.2 se puede ver una tendencia aproximadamente igual entre el

sistema comercial y el sistema implementado.

Fig. 4.2 Graficado de la velocidad del viento para 33 datos de los dos sistemas.


69

4.1.2 Análisis de dirección del viento.

Se ha tomado una muestra de 30 datos tanto del sistema comercial y del

sistema implementado, dando una equivalencia para cada dirección un número

(Tabla 4.2).

Utilizando el criterio de decisión de la ecuación 4.4 para rechazar la hipótesis

nula H0, nos damos cuenta de que -1.52 es menor que -1.96 por lo cual

aceptamos H0. No existe suficiente evidencia estadística para pensar que las

medias son diferentes.

Tabla 4.2

Tiempo No. Demuestra

Torre 1 Torre 2

6:50 1 6 SURESTE 5 SUR7:00 2 5 SUR 5 SUR7:10 3 5 SUR 5 SUR7:20 4 6 SURESTE 6 SURESTE7:30 5 6 SURESTE 6.5 SURESTE7:40 6 5 SUR 6 SURESTE7:50 7 5 SUR 6 SURESTE8:00 8 6 SURESTE 6.5 SURESTE8:10 9 5 SUR 5 SUR8:20 10 5 SUR 6 SURESTE8:30 11 6 SURESTE 6 SURESTE8:40 12 5 SUR 5 SUR8:50 13 5 SUR 5 SUR9:00 14 6 SURESTE 5 SUR9:10 15 5 SUR 6 SURESTE9:20 16 5 SUR 6 SURESTE9:30 17 6 SURESTE 5 SUR9:40 18 5 SUR 6 SURESTE9:50 19 6 SURESTE 5 SUR10:00 20 5 SUR 6 SURESTE10:10 21 6 SURESTE 5 SUR10:20 22 5 SUR 5 SUR10:30 23 5 SUR 6 SURESTE10:40 24 6 SURESTE 5 SUR10:50 25 5 SUR 6 SURESTE11:00 26 5 SUR 5 SUR11:10 27 5 SUR 6 SURESTE11:20 28 6 SURESTE 5 SUR


70

11:30 29 6 SURESTE 5 SUR11:40 30 5 SUR 6 SURESTE

De la ecuación 4.1 encontramos Z = -1.52.

La fig. 4.3 muestra la tendencia no tan marcada pero estadísticamente igual en

el sistema comercial y el sistema implementado.

Fig. 4.3 Dirección del viento de sistema comercial y Sistema implementado.


71

4.2 Datos obtenidos en el aerogenerador.

Se tomaron datos cada 10 segundos a lo largo de 24 horas y se obtuvo lo

siguiente:

Fig. 4.4 Datos registrados del aerogenerador.

Se transportaron los datos a Excel para ser analizados y se obtuvo la grafica

siguiente:

Fig. 4.5 Graficado de los datos.


72

CAPITULO V.

CONCLUSIONES

1. El uso del XBEE para transmitir toda la información que el sistema

recolecta fue muy versátil, nunca se tuvo problemas de comunicación

incluso en las condiciones críticas ambientales. Su versatilidad queda

manifiesta cuando se tuvo que programar para formar la red, funcionó a

la primera.

2. Se ha comprobado que el sistema cumple con el objetivo planteado en

la adquisición de datos meteorológicos de temperatura, humedad,

velocidad y dirección del viento.

3. No se tuvo problemas con la selección de los sensores porque son del

mismo fabricante WEATHERWISE INSTRUMENTS siendo estos de uso

comercial actualmente utilizados por estaciones meteorológicas, son

muy robustos para soportar cualquier variación climática y sobre todo

muy sensibles para detectar cualquier cambio en el clima.

4. Para la construcción de este sistema se tomó en cuenta las necesidades

de obtener una curva lineal a la salida de los sensores de humedad y

temperatura facilitando el procesamiento del microcontrolador para

obtener datos reales con un error mínimo.

5. El circuito integrado DHT11 presenta una sensibilidad de ± 5% en datos

medidos y trabaja en un rango entre 20% y 90% de humedad relativa

lo cual es apropiada. En temperatura tiene una tolerancia de ± 2%, y un

rango de operación de 0º a 50º, que es adecuado para su uso en la

región. Aunado a esto por ser de alimentación de 5V, fue adecuado para

ser utilizado con el ARDUINO, y compatible con el panel de la torre, que

eran abastecidos con la misma batería. Y un dato importante es barato y

accesible.

6. El uso de microcontrolador ARDUINO se ha hecho muy popular en la

universidad, porque se ha demostrado que las aplicaciones que se


73

requieren, fácilmente las saca adelante, así como la facilidad de editar

los programas en ese mismo rato, la programación es amigable.

7. La transmisión de un mensaje de texto se hace en un solo sentido es

decir solamente desde el sistema recolector hacia la estación central de

base de datos, mas no en sentido contrario.

8. El sistema registrador de datos cumple un tiempo exacto para enviar el

texto, la base de datos del microcontrolador es preciso no presentando

retrasos en la transmisión.

9. En las pruebas de comparación realizadas a este sistema, con el

sistema comercial y con la toma de datos de forma aleatoria concluimos

que este sistema es estadísticamente igual al sistema profesional en la

lectura de sensores.

10.Con el aerogenerador, por el umbral que presenta en su funcionamiento,

no se obtuvieron lecturas por debajo de 3 m/s de velocidad del viento,

por lo que no se pudo obtener una lectura de media adecuada, por lo

que se decidió a tomar lecturas de potencia cada 10 segundos, para

después totalizar los datos obtenidos, para de esta manera obtener

alrededor de 106 W.

11. El sistema se puede utilizar para monitorear otras variables como,

radiación solar, precipitación pluvial u otras variables, solo agregando

rutinas al programador principal.


74

CAPITULO VI.

RECOMENDACIONES

1. Una mejora sería incorporar en recopilador de datos un modulo RTC,

para tener el tiempo real en los datos recolectados.

2. También se puede incorporar una tablilla de memoria SD, para lugares

remotos de difícil acceso, y dejar recolectar por largos periodos de

tiempo.

3. Otra mejora para una nueva versión sería el incorporar un display LED

para visualizar en el sitio, los datos recolectados, ya que solamente son

visualizados en la computadora y es necesario llevarla allí.

4. La veleta es importante alinearla y orientarla hacia el norte geográfico

además es conveniente evitar el efecto de la torre ya que esta puede

distorsionar el sentido del viento.

5. Para un funcionamiento óptimo de este sistema se recomienda una

alimentación constante, ya que por cada corte de energía el sistema se

reinicia y empieza a funcionar desde cero perdiendo todos los datos

recolectados con anterioridad.


75

CAPITULO VII.

ANEXOS.

A. Programa ARDUINO para el sensor de humedad y temperatura DHT11Se traduce el programa del ARDUINO para realizar los procedimientos antesmencionados, y quedaría como sigue:

// Lectura del sensor de Humedad y Temperatura

#define DHT11_PIN 0 // Análoga pin 0

byte read_dht11_dat () {

byte i = 0;

byte result=0;

for(i=0; i< 8; i++){

while (!(PINC & _BV(DHT11_PIN))); // Espera hasta que el flanco asciende

delayMicroseconds(30);

if (PINC & _BV(DHT11_PIN))

result |= 1 << (7-i);

while ((PINC & _BV(DHT11_PIN))); // Espera hasta que el flanco desciende

}

return result;

}

void setup () {

DDRC |= _BV(DHT11_PIN); // Establecer DATA_PIN como salida

PORTC |= _BV(DHT11_PIN); // Llevar arriba DATA_PIN

Serial.begin(9600);

Serial.println(" Sensor DHT11 Preparado");

}

void loop () {

byte dht11_dat[5];

byte dht11_check_sum;

byte i;

// Enviar datos de lectura de señales


76

PORTC &= ~_BV(DHT11_PIN); // Llevar abajo DATA_PIN por 18ms

delay(18);

PORTC |= _BV(DHT11_PIN); // Llevar arriba DATA_PIN por 18ms


DDRC &= ~_BV(DHT11_PIN); // Establecer DATA_PIN como entrada

while (PINC & _BV(DHT11_PIN)); // Espera hasta que el flanco desciende


while (!PINC & _BV(DHT11_PIN)); // Espera hasta que el flanco desciende


// Recibir Datos

for (i=0; i<5; i++) {

dht11_dat[i] = read_dht11_dat();

}



// Verificar Suma de Chequeo

dht11_check_sum = dht11_dat[0] + dht11_dat[1] + dht11_dat[2] + dht11_dat[3];

if (dht11_dat[4] != dht11_check_sum) {

Serial.println("DHT11 checksum error");

return;

}

Serial.print("Humedad Relativa = ");

Serial.print(dht11_dat[0], DEC);

Serial.print(".");


Serial.print("%; ");

Serial.print("Temperatura = ");


Serial.print(".");


Serial.println("C");

delay(2000);


77

}B. Rutina de programación para los cuatro sensores.

/* Boceto Arduino para el dispositivo de tiempo de Sparkfun.

Utiliza sólo la aleta dirección del viento y el anemómetro (no el pluviómetro).

A pesar de la tendencia del registrador meteorológico es correr por largo

tiempo, debido a la forma Wiring.c implementa la función de Millis (), esto debe

ser reiniciado, oh, mensual. La función millis () desborda después de

aproximadamente 49 días. Podríamos permitir ese aquí, y manejar el

reciclamiento, pero tienes problemas más grandes de todos modos con el

delay () funcionar a un desbordamiento, lo que es mejor que "reiniciar".

=========================================================

ANEMOMETRO

=========================================================

Este está conectado a tierra Arduino en un lado, y el pin 2 (para el

attachInterrupt(0, ...) en el otro.

Pin 2 está levantado, y el interruptor reed en el anemómetro enviará este a

masa una vez por revolución, lo que dará lugar a la interrupción.

Contamos el número de revoluciones en 5 segundos, y se divide en 5.

Un Hz (rev/sec) = 1.492 mph.= 0.668 m/s

=========================================================

Veleta de dirección de viento

=========================================================

Utilizamos un divisor de voltaje clásico para medir la resistencia en la veleta,

que varía según la dirección.

El uso de una resistencia de 10K, nuestra lectura ADC será:


78

1023 * (R/(10000+R))

donde R es la resistencia desconocida de la paleta. Vamos a escalar el 1023 a

un rango de 255, de acuerdo con la hoja de docs.

Los valores de ADC que obtenemos para cada sentido (sobre la base de un

máximo de 255)

seguir, suponiendo que apunta lejos del centro de concentración está el sector

cero. El número de sector es que el sector de 45 grados es, a la derecha de la

dirección "lejos". La dirección muestra está asumiendo que "lejos" es

Occidente. Dependiendo de la forma que orientan el sistema, tendrá que

ajustar las direcciones.

Sector Lectura Dirección0 18 W1 33 NW2 57 N7 97 SW3 139 NE6 183 S5 208 SE

4 232 ELos valores de la tabla ADC siguientes enumeran los puntos medios entre

Éstos, por lo que la lectura puede variar un poco. Vamos a recoger el primer

valor

Eso es> = nuestra lectura.

=========================================================

VOLTAJE Y CORRIENTE DE LA BATERIA DE ALIMENTACIÓN

=========================================================

*********************************************************************/


79

#define uint unsigned int

#define ulong unsigned long

#define PIN_ANEMOMETER 2 // Digital 2

#define PIN_VANE 5 // Analog 5

#define DHT11_PIN 0 // Analog pin 0 entrada DTH11

//¿Con qué frecuencia se desea calcular la velocidad o dirección del viento?

#define MSECS_CALC_WIND_SPEED 50000

#define MSECS_CALC_WIND_DIR 50000

volatile int numRevsAnemometer = 0; // Se incrementa en la interrupción

ulong nextCalcSpeed; // La próxima vez que calc la velocidad del

viento

ulong nextCalcDir; // Cuando nos la próxima vez calc la dirección

ulong time; // Millis () en cada inicio del bucle ().

// Lecturas ADC:

#define NUMDIRS 8

ulong adc[NUMDIRS] = {26, 45, 77, 118, 161, 196, 220, 256};

// Estas direcciones coinciden 1-a-1 con los valores de ADC, pero

//tendrá que ser ajustada como se señaló anteriormente. Modificar 'dirOffset'

//a cuya dirección es "lejos" (es West aquí).

char *strVals[NUMDIRS] = {"E","SE","S","NE","SW","N","NW","W"};

byte dirOffset=0;

// DHT11 iniciar

byte read_dht11_dat () {


80

byte i = 0;

byte result=0;

for(i=0; i< 8; i++){

while (!(PINC & _BV(DHT11_PIN))); // Espera hasta que el flanco asciende


if (PINC & _BV(DHT11_PIN))

result |= 1 << (7-i);

while ((PINC & _BV(DHT11_PIN))); // Espera hasta que el flanco desciende

}

return result;

}

//=======================================================

// Inicializar

//=======================================================

void setup() {



Serial.begin(9600);

Serial.println("Estacion metereologica TORRE2 Lista");

pinMode(PIN_ANEMOMETER, INPUT);

digitalWrite(PIN_ANEMOMETER, HIGH);

attachInterrupt(0, countAnemometer, FALLING);

nextCalcSpeed = millis() + MSECS_CALC_WIND_SPEED;


81

nextCalcDir = millis() + MSECS_CALC_WIND_DIR;

}

//=======================================================

// Lazo principal.

//=======================================================

void loop() {

// DHT11

byte dht11_dat[5];

byte dht11_check_sum;

byte i;

// Enviar datos de lectura de señales

PORTC &= ~_BV(DHT11_PIN); // Llevar abajo DATA_PIN por 18ms

delay(18);

PORTC |= _BV(DHT11_PIN); // Llevar arriba DATA_PIN por 18ms


DDRC &= ~_BV(DHT11_PIN); // Establecer DATA_PIN como entrada

while (PINC & _BV(DHT11_PIN)); // Espera hasta que el flanco desciende


while (!PINC & _BV(DHT11_PIN)); // Espera hasta que el flanco desciende


// Recibir Datos

for (i=0; i<5; i++) {


82

dht11_dat[i] = read_dht11_dat();

}



// Verificar Suma de Chequeo

dht11_check_sum = dht11_dat[0] + dht11_dat[1] + dht11_dat[2] + dht11_dat[3];

if (dht11_dat[4] != dht11_check_sum) {

Serial.println("DHT11 checksum error");

return;

}

Serial.print("Humedad Relativa = ");


Serial.print(".");


Serial.print("%; ");

Serial.print("Temperatura = ");


Serial.print(".");


Serial.println("C");

delay(50000);

// Sigue velocidad del viento y dirección

time = millis();


83

if (time >= nextCalcSpeed) {

calcWindSpeed();

nextCalcSpeed = time + MSECS_CALC_WIND_SPEED;

}

if (time >= nextCalcDir) {

calcWindDir();

nextCalcDir = time + MSECS_CALC_WIND_DIR;

}

}

//=======================================================

//Interrumpir manejador para anemómetro. Se llama cada vez que el

//interruptor reed se dispare (una revolución).

//=======================================================

void countAnemometer() {

numRevsAnemometer++;

}

//=======================================================

// Encuentre la dirección de la veleta.

//=======================================================

void calcWindDir() {

int val;

byte x, reading;


84

val = analogRead(PIN_VANE);

val >>=2; //Cambie a rango de 255

reading = val;

// Mira la lectura en la tabla de direcciones. Encontrar el primer valor

//esto es >= a lo que tenemos.

for (x=0; x<NUMDIRS; x++) {

if (adc[x] >= reading)

break;

}

//Serial.println(reading, DEC);

x = (x + dirOffset) % 8; // Ajuste para orientación

Serial.print(" Direccion: ");

Serial.println(strVals[x]);

}

//=======================================================

//Calcular la velocidad del viento, y lo mostrará (o registrarlo, lo que sea).

//1 rev / s = 1.492 mph = 0.6668 m / s

//=======================================================

void calcWindSpeed() {

int x, iSpeed;

// Esto producira mph(m/s) * 10

// (no calc correcto cuando se hace como una declaración)

long speed = 6668;


85

speed *= numRevsAnemometer;

speed /= MSECS_CALC_WIND_SPEED;

iSpeed = speed; // Necesitas esto para formatear abajo

Serial.print("Velocidad del viento: ");

x = iSpeed / 10;

Serial.print(x);

Serial.print('.');

x = iSpeed % 10;

Serial.print(x);

numRevsAnemometer = 0; // Restablecer contador

}


86

C. Tabla de probabilidad de una normal estándar Z


87

D. Listas de parámetros de adquisición de las torres 1 y 2.

Muestras de la torre 1

Muestra de la torre 2

31/3/2014 6:49:26Humedad Relativa = 39.0 % Temperatura = 18.0 CVelocidad del viento: 3.2 m/s Direccion: S



31/3/2014 7:19:26Humedad Relativa = 40.0 % Temperatura = 18.0 CVelocidad del viento: 3.8 m/s Direccion: SE









88





















31/3/2014 11:59:26Humedad Relativa = 53.0 % Temperatura = 18.0 CVelocidad del viento: 3.8 m/s Direccion: E



89

CAPITULO VIII.

REFERENCIAS.

1. Manual de Procedimientos para las Estaciones Meteorológicas. Compilado

por Enrique Castro Fonseca, Sarapiquí, Mayo 2008 Versión

2. LabVIEW programación para sistemas de instrumentación de Joaquin del

Rio Fernandez/ Shahram Sharlat-Panahi/ David Sarrià Gandul/ Antoni

Mànuel Làzaro; Alfaohmega.

3. Wind resource Assessment Handbook, Fundamentals for Conducting

a Successful Monitoring Program,

prepared by

National Renewable Energy Laboratory

1617 Cole Boulevard

Golden, CO 80401

4. El Estándar Inalámbrico ZigBee, Valverde Rebaza Jorge Carlos

Universidad Nacional de Trujillo

Trujillo – Perú – 2007

5. Estación Meteorológica PCE-FWS 20, manual de instalación, www.pce-

iberica.es

6. Hand son Zigbee, implementing 802.15.4 with microcontrols, Fred Eady,

Enbedded Technology series

7. Sam´s Teach youself C++ in 21 days second edition

8. DHT11 Humidity & Temperature Sensor, D-Robotics UK

(www.droboticsonline.com)

9. Guía rápida - http://www.arduino.cc/en/Guide/ArduinoXbeeShield

10.Cómo programar un Arduino de manera inalámbrica -

http://itp.nyu.edu/~raf275/meshnetworking/XBee/XBee_program_Arduino_w

ireless.html

11.Proyectos de Rob Faludi que involucran XBee -

http://itp.nyu.edu/~raf275/cgi-bin/mt/mtsearch.

cgi?IncludeBlogs=3&search=xbee


90

12.El libro de Tom Igoe Making Things Talk - http://itp.nyu.edu/~raf275/cgi-

bin/mt/mtsearch.

cgi?IncludeBlogs=3&search=xbee

El manual del usuario de MaxStream -

13.http://www.makingthings.com/resources/datasheets/manual_xb_oem-

rfmodules_ 802.15.4.pdf

14.Un artículo muy completo por Fred Eady para Circuit Cellar -

http://www.circuitcellar.com/library/print/0906/Eady194/Index.htm

15.Tutorial para módulos XBee con el Make Controller -

http://www.makingthings.com/documentation/tutorial/xbee-wireless-

interface/tutorial-allpages

16.Estadística aplicada, Julián de la Horra Navarro.

prototipo de unidad meteorológica integral para monitoreo ... · prototipo de unidad...

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