Desarrollo de prototipo para la recolección de datos meteorológicos usando una Red de Sensores Inalámbrica

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CARATULA

UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA

La Universidad Católica de Loja

ÁREA TÉCNICA

TÍTULO DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES

Desarrollo de prototipo para la recolección de datos meteorológicos usando

una Red de Sensores Inalámbrica.

TRABAJO DE TITULACIÓN.

AUTOR: Jumbo Sedamanos, Miguel Antonio

DIRECTOR: Quiñones Cuenca, Manuel Fernando, Ing.

LOJA

_–

ECUADOR

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Esta versión digital, ha sido acreditada bajo la licencia Creative Commons 4.0, CC BY-NY-SA: Reconocimiento-No comercial-Compartir igual; la cual permite copiar, distribuir y comunicar públicamente la obra, mientras se reconozca la autoría original, no se utilice con fines comerciales y se permiten obras derivadas, siempre que mantenga la misma licencia al ser divulgada. http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.es

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APROBACIÓN DEL DIRECTOR DE TRABAJO DE TITULACIÓN

Ingeniero.

Manuel Fernando Quiñones Cuenca.

DOCENTE DE LA TITULACIÓN

De mi consideración:

El presente trabajo de titulación: Desarrollo de un prototipo de recolección de datos meteorológicos usando una Red de Sensores Inalámbrica, realizado por Jumbo Sedamanos Miguel Antonio ha sido orientado y revisado durante su ejecución, por lo que se aprueba la presentación del mismo.

Loja, febrero de 2016

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DECLARACIÓN DE AUTORÍA Y CESIÓN DE DERECHOS

Yo Jumbo Sedamanos Miguel Antonio, declaro ser autor del presente trabajo de titulación: Desarrollo de un prototipo de recolección de datos meteorológicos usando una Red de Sensores Inalámbrica, de la Titulación de Electrónica y Telecomunicaciones, siendo el Ing. Manuel Fernando Quiñones Cuenca director del presente trabajo; y eximo expresamente a la Universidad Técnica Particular de Loja y a sus representantes legales de posibles reclamos o acciones legales. Además certifico que las ideas, conceptos, procedimientos y resultados vertidos en el presente trabajo investigativo, son de mi exclusiva responsabilidad.

Adicionalmente declaro conocer y aceptar la disposición del Art. 88 del Estatuto Orgánico de la Universidad Técnica Particular de Loja que en su parte pertinente textualmente dice:

“Forman parte del patrimonio de la Universidad la propiedad intelectual de investigaciones,

trabajos científicos o técnicos y tesis de grado que se realicen a través, o con el apoyo financiero, académico o institucional (operativo) de la Universidad”

f.………..

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DEDICATORIA

Yo Miguel Antonio Jumbo Sedamanos, le dedico este trabajo en especial a mis padres, que supieron con su apoyo incondicional darme la inspiración necesaria para llegar a este punto en mi formación profesional y personal; a mis hermanos Jean y José, que al verme desanimado supieron brindarme su cariño y compresión para superar etapas difíciles que se han ido presentando; a mis amigos que han sido pilares fundamentales en mi formación como persona y como profesional; a mi familia que me apoya incondicionalmente y finalmente a nuestro Padre Celestial que me cuida y guía mi camino.

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AGRADECIMIENTO

A mis padres, por su apoyo incondicional y confianza. A mis hermanos, que han estado siempre motivándome y ayudándome día a día. A mi director de tesis y amigo Ing. Manuel Quiñones, que me supo brindar su confianza y tiempo para guiarme en la realización de este trabajo; además de contribuir con su experiencia y conocimiento para el desarrollo de nuevos talentos en la titulación. A mi familia, amigos y compañeros que han sido parte de mi formación tanto personal como profesional.

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vi

ÍNDICE DE CONTENIDOS

CARATULA ... i

APROBACIÓN DEL DIRECTOR DE TRABAJO DE TITULACIÓN ... ii

DECLARACIÓN DE AUTORÍA Y CESIÓN DE DERECHOS ... iii

DEDICATORIA ... iv

AGRADECIMIENTO ... v

ÍNDICE DE CONTENIDOS ... vi

LISTA DE FIGURAS ... ix

LISTA DE TABLAS... xi

ACRONIMOS ... xii

RESUMEN ... 1

ABSTRACT ... 2

INTRODUCCIÓN ... 3

CAPITULO 1 ... 4

ALCANCE DE LA INVESTIGACIÓN ... 4

1.1 Objetivos ... 5

1.1.1 Objetivo general. ... 5

1.1.2 Objetivos específicos. ... 5

1.2 Justificación ... 5

1.3 Metodología ... 6

CAPITULO 2 ... 8

ESTADO DEL ARTE ... 8

2.1 Introducción ... 9

2.2 Redes de Sensores Inalámbricas ... 9

2.2.1 Componentes de una red de sensores inalámbricas ... 10

2.2.2 Gateway ... 11

2.2.3 Estación Base ... 11

2.3 Estaciones Meteorológicas ... 11

2.3.1 Estación meteorológica WatchDog WD 2700 ... 11

2.3.2 Estación meteorológica Wireless Vantage Pro 2 ... 12

2.4 Plataformas Hardware Open Source ... 13

2.4.1 Wapsmote PRO ... 13

2.4.2 Arduino ... 14

2.4.3 RedBoard ... 16

2.4.4 Dragino Yun Shield. ... 16

2.4.5 Seeeduino Stalker v3 ... 17

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vii

2.5.1 Ubidots ... 19

2.5.2 Phant ... 20

2.5.3 Lelylan ... 21

CAPITULO 3 ... 23

CARACTERIZACIÓN DE SENSORES Y MÓDULOS DE COMUNICACIÓN... 23

3.2 Variables meteorológicas ... 24

3.2.1 Viento ... 24

3.2.2 Temperatura ... 25

3.2.3 Humedad ... 25

3.2.4 Presión Atmosférica. ... 26

3.2.5 Precipitación pluvial. ... 26

3.3 Caracterización de Sensores. ... 27

3.3.1 Weather Shield ... 27

3.3.2 Weather meters ... 31

3.3.3 Sensor de Temperatura/Humedad del ambiente RHT03. ... 33

3.3.4 Sensor de Temperatura/Humedad del suelo SHT10. ... 34

3.3.5 Sensor de Temperatura, Waterproof DS18B20 ... 35

3.4 Acondicionamiento de Sensores. ... 36

3.5 Módulos de comunicación ... 38

3.5.1 XBee Digi Serie 1 RP SMA Conector... 39

3.5.2 XBee Digi Series 2 RP SMA Conector. ... 40

3.5.3 XBee Digi Pro 900 RP SMA Conector. ... 41

3.5.4 XBee Digi Pro 900 HP RP SMA Conector. ... 43

3.5.5 RN – XV WiFly RP SMA Conector. ... 44

3.5.6 Electric Imp 01. ... 45

3.5.7 Shield Ethernet Arduino. ... 46

3.6 Protocolos y Topologías ... 47

3.6.1 Modo API ... 47

3.6.1.1 Formato TX Request (0x10) ... 49

3.6.2 Escenario 1 ... 50

3.6.3 Escenario 2 ... 52

3.6.4 Escenario 3 ... 53

CAPITULO 4 ... 57

ADQUISICIÓN DE DATOS ... 57

4.2 Adquisición de Datos... 58

4.3 Protocolos de comunicación ... 58

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viii

4.4.1 Procesamiento ... 61

4.4.2 Comunicación ... 66

4.4.2.1 Arquitectura de red del nodo independiente ... 67

4.4.2.2 Arquitectura de red modular ... 68

4.4.3 Envio al servidor ... 73

4.5 Consumo Energético del prototipo ... 74

4.5.1 Prototipo de adquisición y transmisión. ... 74

4.5.2 Prototipo de recepción y envío de datos al servidor. ... 76

4.5.3 Prototipo de adquisición y envío de datos al servidor. ... 78

4.5.4 Dimensionamiento del panel solar ... 79

CAPITULO 5 ... 83

INTEGRACIÓN DEL PROTOTIPO Y VISUALIZACIÓN DE DATOS EN LOS SERVIDORES ... 83

5.2 Armado del prototipo. ... 84

5.3 Visualización de datos en servidores IoT. ... 85

5.4 Análisis del desempeño del prototipo. ... 88

5.4.1 Pruebas de funcionamiento del prototipo. ... 89

5.4.2 Pruebas de validación ... 94

5.4.3 Costos de prototipos. ... 101

CONCLUSIONES ... 104

RECOMENDACIONES ... 106

BIBLIOGRAFÍA ... 107

ANEXOS ... 113

ANEXO A ... 114

ANEXO B ... 121

ANEXO C ... 134

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ix

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1 Fases de desarrollo del proyecto. ... 7

Figura 2.1. Arquitectura de un nodo de sensores. ... 10

Figura 2.2. Estación meteorológica WatchDog WD 2700 ... 11

Figura 2.3. Estación meteorológica Wireless Vantage Pro 2. ... 12

Figura 2.4 Hardware de Waspmote Pro. ... 13

Figura 2.5. Hardware Arduino Uno. ... 15

Figura 2.6 Hardware RedBoard. ... 16

Figura 2.7 Características del Dragino Yun Shield. ... 17

Figura 2.8 Plataforma hardware del Seeduino Starker v3. ... 18

Figura 2.9 Plataforma Ubidots. ... 20

Figura 2.10 Plataforma data.sparkfun.com. ... 21

Figura 2.11 Plataforma Lelylan. ... 22

Figura 3.3.1 Placa Weather Shield. ... 27

Figura 3.3.2. Estructura del Weather Meter. ... 31

Figura 3.3.3 Estructura de la veleta de viento. ... 32

Figura 3.3.4 Sensor RHT03. ... 34

Figura 3.3.5. Sensor SHT10. ... 34

Figura 3.3.6. Sensor de Temperatura Waterproof DS18B20 ... 36

Figura 3.3.7 Esquema de conexión de los sensores ... 37

Figura 3.3.8. Conexión de los sensores con Weather Shield. ... 38

Figura 3.3.9. XBee Series 1 PRO RP SMA ... 40

Figura 3.3.10. XBee Series 2 RP SMA ... 40

Figura 3.3.11. XBee Pro 900 RP SMA ... 42

Figura 3.3.12. XBee Pro 900 HP RP SMA ... 44

Figura 3.3.13. RN – XV WiFly RP SMA... 44

Figura 3.3.14. Electric imp. 01 ... 46

Figura 3.3.15. Shield Ethernet Arduino ... 47

Figura 3.3.16. Configuración del XBee Pro Series 1 y XBee Series 1. ... 51

Figura 3.3.17. Distancia entre el XBee Pro y XBee Series 1. ... 51

Figura 3.3.18. Distancia entre el XBee Series 1 y Xbee Pro Series 1 ... 51

Figura 3.3.19. Configuración del XBee Pro Series 2 y XBee Series 2. ... 52

Figura 3.3.20. Distancia entre el XBee Pro Series 2 y XBee Series 2 ... 52

Figura 3.3.21. Distancia entre el XBee Series 2 y XBee Pro Series 2. ... 53

Figura 3.3.22. Configuración de los módulos XBee PRO 900. ... 53

Figura 3.3.23. RSSI de los módulos XBee PRO 900... 54

Figura 3.3.24. Topología tipo malla ... 54

Figura 3.3.25. RSSI de los módulos XBee PRO 900... 55

Figura 3.3.26 Configuración de los módulos XBee PRO 900 HP ... 55

Figura 3.3.27. Topología de los módulos XBee PRO 900 HP ... 56

Figura 3.3.28. Distancia de los módulos XBee PRO 900 HP ... 56

Figura 3.3.29. Equipos para el desarrollo de los escenarios ... 56

Figura 4.1. Transmisión de 1 byte con _� . ... 58

Figura 4.2. Conexión del Shield XBee a la placa base. ... 59

Figura 4.3. Conexión de los sensores a la placa base RedBoard ... 59

Figura 4.4. Base Shield v2.0. ... 60

Figura 4.5. Etapas del funcionamiento del prototipo... 60

Figura 4.6. Función general del algoritmo. ... 62

Figura 4.7. Función RainIRQ. ... 63

Figura 4.8. Función wspeedIRQ... 63

Figura 4.9. Función Obtener nivel batería. ... 64

Figura 4.10. Función Velocidad del viento. ... 65

(11)

x

Figura 4.12. Arquitecturas de comunicación. ... 66

Figura 4.13. Función Enviar Trama para el Electric imp 01. ... 67

Figura 4.14. Lectura y obtención de la trama. ... 68

Figura 4.15. Estructura de la trama. ... 68

Figura 4.16. Función Enviar Trama (XBee). ... 69

Figura 4.17. Recepción de tramas en el nodo central. ... 70

Figura 4.18. Función Detectar device. ... 71

Figura 4.19. Función Separar trama. ... 71

Figura 4.20. Envió de la trama al device electric imp 01. ... 72

Figura 4.21. Envió de valores meteorológicos a un servidor ... 73

Figura 4.22. Consumo de corriente del prototipo de recepción y posteo de datos. ... 77

Figura 4.23. Consumo de corriente del prototipo de adquisición y posteo de datos. ... 79

Figura 4.24. Irradiación solar global en Loja. ... 79

Figura 4.25. Batería, Cargador y Panel Solar... 82

Figura 5.1. Recipiente IP-65 para el prototipo ... 84

Figura 5.2. Integración del prototipo. ... 85

Figura 5.3. Prototipo de recolección de datos (Arquitectura de red del nodo idependiente). 85 Figura 5.4. Prototipos de recolección y envio de datos (Arquitectura de red modular). ... 86

Figura 5.5. Publicación de los datos recolectados en Ubidots. ... 86

Figura 5.6. Publicación de los datos recolectados en Lelylan. ... 87

Figura 5.7. Publicación de los datos recolectados en Data SparkFun. ... 87

Figura 5.8. Visualización de los datos recolectados en LabView. ... 88

Figura 5.9. Entorno de pruebas de funcionamiento. ... 89

Figura 5.10. Valores recolectados de la velocidad del viento en una semana. ... 89

Figura 5.11. Valores recolectados de la dirección del viento en una semana... 90

Figura 5.12. Valores recolectados de la lluvia en una semana. ... 90

Figura 5.13. Valores recolectados de la temperatura de la placa en una semana. ... 90

Figura 5.14. Valores recolectados de la presión atmosférica en una semana. ... 91

Figura 5.15. Valores recolectados del nivel de batería en una semana... 91

Figura 5.16. Valores recolectados del nivel de luz en una semana. ... 91

Figura 5.17. Valores recolectados de la humedad de la placa en una semana. ... 92

Figura 5.18. Valores recolectados de la temperatura del sensor SHT10 en una semana. ... 92

Figura 5.19. Valores recolectados de la humedad del sensor SHT10 en una semana. ... 92

Figura 5.20. Valores recolectados de la humedad del sensor RHT03 en una semana. ... 93

Figura 5.21. Valores recolectados de la temperatura del sensor RHT03 en una semana. ... 93

Figura 5.22. Valores recolectados de velocidad del viento en una semana. ... 93

Figura 5.23. Metodologia para la validación del prototipo. ... 94

Figura 5.24. Prototipo recolector de datos meteorológicos. ... 95

Figura 5.25. Montaje de estaciones (Prototipo y Davis Vantage Pro). ... 95

Figura 5.26. Mediciones de la Temperatura Ambiental. ... 98

Figura 5.27. Mediciones de la Humedad Relativa del ambiente. ... 98

Figura 5.28. Mediciones de la Presión Barométrica. ... 99

Figura 5.29. Mediciones de la Velocidad del viento. ... 99

Figura 5.30. Mediciones de la Dirección del viento. ... 100

Figura 5.31. Mediciones de la Lluvia Instantánea. ... 100

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xi

LISTA DE TABLAS

Tabla 3.3.1 Parámetros técnicos de la Weather Shield. ... 28

Tabla 3.3.2. Parámetros técnicos del sensor HTU21D ... 29

Tabla 3.3.3 Parámetros técnicos del sensor MPL3115A2 ... 30

Tabla 3.3.4 Parámetros técnicos del sensor ALS-PT19 ... 30

Tabla 3.3.5. Parámetros técnicos del sensor RHT03. ... 33

Tabla 3.3.6. Parámetros técnicos del sensor SHT10. ... 35

Tabla 3.3.7. Parámetros técnicos del sensor DS18B20. ... 36

Tabla 3.3.8. Parámetros técnicos del XBee Series 1 RP SMA. ... 39

Tabla 3.3.9. Parámetros técnicos del XBee Series 2 RP SMA. ... 41

Tabla 3.3.10. Parámetros técnicos del XBee Pro 900 RP SMA. ... 42

Tabla 3.3.11. Parámetros técnicos del XBee Pro 900 HP RP SMA. ... 43

Tabla 3.3.12. Parámetros técnicos del RN – XV WiFly RP SMA. ... 45

Tabla 3.3.13. Parámetros técnicos del Electric Imp 01. ... 46

Tabla 3.3.14.Formato básico de una trama API. ... 48

Tabla 3.3.15. Formato básico de una trama API. ... 49

Tabla 3.3.16. Formato de trama TX Request. ... 50

Tabla 4.4.1. Requerimiento diario de potencia del Nodo Final. ... 74

Tabla 4.4.2. Requerimiento diario de potencia del Nodo Coordinador. ... 77

Tabla 4.4.3. Parámetros energéticos del Nodo Coordinador. ... 77

Tabla 4.4.4. Requerimiento diario de potencia del Nodo Independiente... 78

Tabla 4.4.5. Parámetros energéticos del Nodo Independiente ... 78

Tabla 4.4.6. Parámetros para el cálculo del panel solar ... 80

Tabla 4.4.7. Resultados del cálculo de la irradiación en el plano inclinado β ... 81

Tabla 4.4.8. Inclinación del panel solar ... 81

Tabla 4.4.9. Resultados del dimensionamieto del panel solar, inclinación y HPS. ... 81

Tabla 5.1 Parámetros generales del Prototipo recolector. ... 96

Tabla 5.2 Parámetros de la Davis Vantage Pro ... 97

Tabla 5.3. Prototipo de recolección y transmisión de datos meteorológicos (Nodo Final). . 102

Tabla 5.4 Prototipo de Coordinación (Nodo Central). ... 103

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xii

ACRONIMOS

OMM Organización Meteorológica Mundial WSN (ingles) Wireless Sensor Networks

TIC Tecnologías de la Información y la Comunicación �2 _(ingles) _{Inter - Integrated Circuit}

SDA (ingles) Serial Data SCL (ingles) Serial Clock

UART (ingles) Universal Asynchronous Receiver-Transmitter TWI (ingles) Two Wire Interface

1W (ingles) One Wire

TTL (ingles) Transistor Transistor Logic IoT (ingles) Internet of Things

API (ingles) Application Programming Interface REST (ingles) Representational State transfer MSB (ingles) Most significant bit

LSB (ingles) Least significant bit

IEEE (ingles) Institute of Electrical and Electronics Engineers SPI (ingles) Serial Peripheral Interface

TCP (ingles) Transmission Control Protocol PANID (ingles) Personal Area Networks Identifier QoS (ingles) Quality of Service

MQTT (ingles) Message Queue Telemetry Transport HTTP (ingles) Hypertext Transfer Protocol

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1

RESUMEN

En este trabajo se describe el desarrollo de un prototipo de nodo para la recolección de datos meteorológicos aplicable a diferentes ambientes. Para ello se ha utilizado una red de sensores inalámbrica con el fin de proveer un dispositivo a bajo costo, genérico, escalable con el uso de tecnología abierta (Open Source), eficiente y de bajo consumo energético (autosustentable). Se desarrollaron 3 prototipos, 2 nodos recolectores de variables meteorológicas y un nodo central. Cada nodo recolector está provisto por módulos de sensores para adquirir las variables deseadas, un módulo de procesamiento conformado por una tarjeta de adquisición RedBoard encargada del tratamiento de los datos y por un módulo de comunicación para enviar la información al nodo central. El nodo central (coordinador - Gateway) está formado por 2 módulos de comunicación, el primero interactúa con los nodos recolectores y el segundo con los servidores IoT. Toda la información recolectada por los nodos finales se visualizará mediante un servidor Web. Adicional a esto, el prototipo cuenta con una fuente de alimentación que utiliza energía solar como un recurso natural renovable.

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2

ABSTRACT

This paper describes the development of a prototype of a meteorological data collector node , applicable for different environments. Using a wireless sensor network in order to provide a low cost, generic, scalable using open source technology, efficient and low energy consumption (self-sustaining). It develop 3 prototypes, 2 meteorological variables recollection node and a central node. Each collector node is provided by sensor modules to acquire the desired variables, a processing module composed with an acquisition card Redboard takes care of the processing data and communication module to send the information to the central node. The central node (coordinator - Gateway) consists of two communication modules, the first nodes interact with collectors and the second with the IoT servers. All information collected by the finals nodes will be displayed by a Web server. In addition to this, the prototype has a power source that uses solar energy as a renewable natural resource.

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3

INTRODUCCIÓN

Desde el inicio de los tiempos las variaciones climáticas han modelado el destino del ser humano, que ha reaccionado en gran medida adaptándose, emigrando y desarrollando su inteligencia. El clima determina tanto la fauna como la flora de un lugar, la cantidad de agua dulce disponible, los tipos de cultivos, la cultura y los medios de vida de cada región en el mundo [1].

En los últimos años se ha demostrado que conocer los pronósticos meteorológicos aporta grandes beneficios en diversas áreas, tales como la adaptación al cambio climático por parte de la comunidad, la información oportuna y precisa en la adopción de decisiones para salvar vidas y bienes materiales, sustentar el crecimiento económico, preservación de áreas protegidas, entre otros [2].

Con el uso de las Tecnologías de la Información y Comunicación (TIC), se ha hecho un gran esfuerzo por conseguir las herramientas para poder realizar un buen pronóstico climático en las zonas de interés y aprovechar esa información para fines como la preservación digital de datos, y representación gráfica de los mismos, con el propósito de mejorar la calidad de vida de los ciudadanos, conocer la biodiversidad del lugar observado y contribuir a la preservación ambiental [3]. Entre estas iniciativas destacan los territorios inteligentes denominados Smart Lands o Smart Cites dependiendo del terreno donde se implementen, las cuales emplean RSI (Redes de Sensores Inalámbrica) para su funcionamiento [4].

En el presente trabajo de investigación se pretende desarrollar un prototipo para la recolección de datos meteorológicos, aplicable a diferentes ambientes usando una RSI, con el fin de proveer un dispositivo de bajo costo, genérico para ambientes normales y hostiles, escalable que emplee tecnología abierta (Open Source), eficientes y de bajo consumo energético [5].

(17)

CAPITULO 1

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5

1.1 Objetivos

1.1.1 Objetivo general.

Diseñar, integrar e implementar un prototipo para la recolección de datos meteorológicos usando una red de sensores inalámbrica.

1.1.2 Objetivos específicos.

 Identificar las variables meteorológicas recomendadas por la Organización Meteorológica Mundial (OMM).

 Caracterizar los módulos de comunicación, de procesamiento, de sensores y el de abastecimiento de energía en base a las propiedades del entorno donde se los implemente.

 Diseñar un prototipo a bajo costo, escalable, auto-sustentable y reconfigurable para la recolección de datos meteorológicos, usando una red de sensores inalámbrica para cualquier ambiente.

 Implementar algoritmos para el procesamiento y cálculo de las variables medidas basados en software Open Source.

 Visualizar, monitorear y alojar los parámetros recolectados con el prototipo en un servidor web.

 Desplegar y verificar el funcionamiento del prototipo en un ambiente de pruebas.

1.2 Justificación

El prototipo de recolección de datos meteorológicos usando una RSI brinda información importante sobre el ambiente donde se encuentre implementado. La importancia del desarrollo de un prototipo de ésta índole, radica en minimizar los costos en comparación con otras estaciones meteorológicas, para poder ofrecer un modelo escalable y funcional; y por último en utilizar recursos naturales como fuente de energía.

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6

1.3 Metodología

Para el desarrollo del presente trabajo de fin de titulación se ha seguido una metodología de avance por fases, mismas que se ponen a consideración en este documento.

La primera fase comprende la recolección de información para la ejecución del trabajo, la identificación de variables genéricas que el prototipo requiere como mínimo para la recolección de datos meteorológicos, la caracterización de los sensores para el procesamiento de información, la caracterización de los módulos de comunicación, la descripción de los escenarios y protocolos de comunicación que se detallan en el capítulo 2 y parte del capítulo 3.

La segunda fase está conformada por la adquisición de datos, la construcción de diagramas de flujo para el funcionamiento del prototipo y la caracterización de la tarjeta de adquisición. En esta fase también se realizó la integración de los sensores con la placa base de adquisición y el análisis del consumo energético del prototipo; esto se explica en el capítulo 4.

(20)

7

FASE 1

FASE 2

[image:20.595.228.463.84.732.2]

FASE 3

Figura 1.1 Fases de desarrollo del proyecto.

(21)

(22)

9

2.1 Introducción

En el presente capítulo se presenta a las redes de sensores inalámbricas como una tecnología en auge en la actualidad, además se realiza una recopilación de la información de las estaciones meteorológicas existentes en el mercado, así como una descripción de las plataformas hardware Open Source y las plataformas Middleware IoT (Internet of Things).

2.2 Redes de Sensores Inalámbricas

Las redes de sensores inalámbricas constituyen un sub-campo especializado de la computación distribuida heterogénea, donde los recursos que emplea y el consumo de energía son algunos de los tópicos más importantes. También llamada WSN (Wireless Sensor Network), constan de dispositivos autónomos distribuidos, especialmente sensores que son usados para monitorear las condiciones físicas o ambientales del medio en el que se hallen. Entre las variables que se pueden medir las más importantes son temperatura, radiación solar, presión atmosférica, dirección y velocidad del viento, precipitación pluvial y humedad [6] [7].

La WSN se basan en nodos (motas) capaces de obtener información de su entorno, procesar localmente la información y comunicarla a través de enlaces inalámbricos hasta un nodo central de coordinación [6]. Capacidades como el auto-diagnóstico, auto-configuración, auto-organización y restauración, son características propias de las redes de sensores inalámbricas, que surgen con el objetivo de solventar tareas que no eran posibles con otras tecnologías; así si un nodo deja de funcionar, la red de sensores inalámbrica encontrará nuevas vías para encaminar los paquetes de datos, asegurando así la continuidad de la red aunque uno o algunos de sus nodos hayan perdido potencia o se hayan destruido [8].

Las redes de sensores inalámbricas utilizan topologías altamente dinámicas, inducidas por fluctuaciones típicas de la propagación a través de un medio inalámbrico, y por los patrones necesarios para extender la vida útil de la red [9].

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10

2.2.1 Componentes de una red de sensores inalámbricas

Una red de sensores inalámbrica está constituida por nodos de sensores, un Gateway y una estación base.

2.2.1.1 Nodo de sensores

Los sensores son dispositivos que detectan y obtienen información de un medio, y las convierten en señales eléctricas, constituyen la parte esencial de los nodos recolectores y los encontramos de distintos tecnologías y tipos.

Figura 2.1. Arquitectura de un nodo de sensores.

Fuente: Autor.

Los nodo de sensores están conformados por sensores, micro-controlador, transceptor, memoria externa y una fuente de alimentación (ver Figura 2.1) para realizar mediciones como la temperatura, nivel de luz, humedad, presión atmosférica entre otras. Restringidos en energía, memoria, capacidad de procesamiento, presentan alta probabilidad de fallos y envían toda la información recolectada a una estación base. Para el ahorro de energía los nodos de sensores presentan tres estados.

 Sleep: La mayor parte del tiempo permanece en este estado, el nodo solo recolecta información y no trasmite, maximizando el ahorro de energía.

 Wake up: Es un tiempo mínimo en el que el nodo se prepara para la trasmisión, el consumo aumenta en este instante.

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11

2.2.2 Gateway

El Gateway es un nodo intermedio, que al igual que los demás recolecta información de una zona en específico, su función es interconectar la red de sensores con una red de datos (TCP/IP) y enviar la información obtenida por todos los nodos hacia una estación base [8].

2.2.3 Estación Base

La estación base, actúa como recolector y visualizador de la información obtenida por la RSI, además de monitorear los datos específicos de cada nodo.

2.3 Estaciones Meteorológicas

Las estaciones meteorológicas son un conjunto de instrumentos que miden y registran variables meteorológicas. La meteorología estudia la atmósfera y la ionosfera, y se considera como una herramienta para estudiar y predecir el tiempo atmosférico [12]. A continuación se detallan algunas estaciones meteorológicas comerciales [13] y [14].

2.3.1 Estación meteorológica WatchDog WD 2700

WatchDog WD 2700, es una estación meteorológica profesional que pertenece a la empresa PCE Instruments, cuenta con 5 sensores, que miden variables como la dirección del viento, velocidad del viento, precipitación pluvial o lluvia, temperatura y humedad relativa del aire; adicional cuenta con un puerto RS-232, en la Figura 2.2 se ilustra la estructura de la estación [15].

Figura 2.2. Estación meteorológica WatchDog WD 2700

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12 Características de la estación

 Amplia memoria interna para 8800 series de mediciones (permite registrar con un intervalo de 30 min. durante 180 días, registrando todos los parámetros).

 EEPROM estable para conservan los datos aún con batería baja.

 Programable directamente o a través del software opcional.

 Pantalla LCD, muestra directamente los valores mínimo, máximo y el valor actual.

 Posibilidad de uso móvil (alimentación por batería / suficiente para máx. 12 meses de funcionamiento).

2.3.2 Estación meteorológica Wireless Vantage Pro 2

Wireless Vantage Pro 2, es una estación meteorológica inalámbrica profesional que pertenece a la empresa Davis Instruments, equipada con un conjunto de sensores versátiles combinados con un colector de lluvia, sensores de temperatura, humedad y un anemómetro. Única en su clase, usa la técnica de modulación de espectro ensanchado por salto de frecuencia (FHSS) para trasmitir datos meteorológicos inalámbricamente hasta una distancia de 300 metros, en la Figura 2.3 se observa la estación [16].

Figura 2.3. Estación meteorológica Wireless Vantage Pro 2.

(26)

13 Características de la estación

 Pantalla con iluminación LCD de 3.5” (9 x 15 cm).

 Opciones disponibles para solar/UV, humedad del suelo, repetidores de corto y largo alcance.

 Actualizaciones rápidas cada 2.5 segundos.

 Software Weatherlink, registra los datos. Esta característica es opcional.

 Permite añadir repetidores inalámbricos para distancias hasta 2.5 km.

2.4 Plataformas Hardware Open Source

Una plataforma Open Source significa libre acceso, pero no quiere decir gratuito, es decir, el usuario es autónomo para manipular y adaptarla a sus necesidades, por lo tanto una tecnología abierta tanto hardware como software puede ser usada, estudiada, cambiada, distribuida y compartida libremente entre los usuarios; entre las plataformas Open Source que están orientadas a las redes de sensores inalámbricas, y que se encuentran en el mercado están la Waspmote PRO, Arduino Uno, RedBoard, Shield Dragino Yun, Seeduino Stalker v3.

2.4.1 Wapsmote PRO

Waspmote PRO es una plataforma Open Source comercializada por la compañía Libelium, empleada para construir redes de sensores inalámbricas de muy bajo consumo, está basada en una arquitectura modular, que significa que podemos implementar módulos adicionales en función de las necesidades, cuenta con una gran variedad de placas de sensores para medir gases, eventos físicos y parámetros necesarios para Smart Metering. Waspmote utiliza el mismo IDE (Integrated Development Environment) que Arduino. (Ver Figura 2.4) [17].

Figura 2.4 Hardware de Waspmote Pro.

(27)

14 Características del hardware Waspmote Pro.

 Microcontrolador: ATmega 1381

 Frecuencia: 14MHz

 SRAM: 8KB

 EEPROM: 4KB

 FLASH: 128KB

 SD Card: 2GB

 Peso: 20gr

 Dimensiones: 73.5 x 51 x 13 mm

 Fuente de alimentación: 3.3V – 4.2V Consumo energético

 Activo: 15mA

 Dormido: 55uA

 Hibernación: 0.7uA Entradas/Salidas

 7 entradas analógicas

 8 I/O digitales

 2 UART

 1 I2C, 1 SPI, 1 USB

 Socket para sensores

 Carga de USB: 5V a 100mA

2.4.2 Arduino

(28)

15

2.4.2.1 Arduino Uno

Arduino Uno, es una placa electrónica que integra un microcontrolador de la marca ATMEL, incluye reguladores de tensión, un puerto USB conectado a un módulo controlador USB-Serie que permite programar el microcontrolador desde cualquier computador, el Arduino uno dispone de 14 pines que se pueden configurar como entradas o salidas, mismas que pueden ser analógicas o digitales [18]. Con las entradas analógicas se pueden obtener datos de cualquier sensor, soportan conversiones análogo-digital con una resolución de 10 Bits [19]. (Ver Figura 2.5).

Figura 2.5. Hardware Arduino Uno.

Fuente: Tomado de [20]

Características del hardware Arduino Uno.

 Voltaje de entrada: 7V -12V

 14 pines entradas/salidas digitales(6 PWM salidas)

 FLASH: 32KB

 Frecuencia de reloj: 16MHz

 Corriente DC por pin de entrada/salida: 40mA

 Corriente DC por pin 3.3V: 50mA

 ADC con una resolución de 10 bits

 Interrupciones internas: pin 2,3

 Comunicación SPI: pines 10,11,12,13 ; Comunicación I2C

 SRAM: 2KB

(29)

16

2.4.3 RedBoard

RedBoard es una tarjeta electrónica que integra las mismas características de la placa Arduino Uno, y al contrario de esta incorpora un conector FDTI estable, para la programación. La placa RedBoard puede ser programada en el IDE de Arduino utilizando un cable USB Mini-B [21] y [18]. (Ver Figura 2.6).

Figura 2.6 Hardware RedBoard.

Fuente: Tomado de [20].

Características del hardware RedBoard.

 USB Programming Facilitated by the Ubiquitous FTDI FT231X

 Voltaje de entrada: 7V -15V

 14 pines entradas/salidas digitales(6 PWM salidas)

 FLASH: 32KB

 Frecuencia de reloj: 16MHz

 All SMD Construction+

 ISP cabecera

2.4.4 Dragino Yun Shield.

(30)

17

Figura 2.7 Características del Dragino Yun Shield.

Fuente: Tomado de [22]

Características del Dragino Yun Shield.

 Bajo consumo energético.

 Controlado por Web GUI, SSH vía WiFi o LAN.

 Compatible con placas Arduino: Uno, Leonardo, Mega, Duemilanove.

 Compatible con el IDE Arduino.

 Soporta conexión de internet vía LAN, WiFi o Dongle 3G.

 Soporta USB flash para proporcionar almacenamiento. Especificaciones

 Procesador: 400 MHz

 FLASH: 16 MBytes

 RAM: 64 MBytes

 Voltaje de entrada: 4.75 – 23V por el pin VIN de Arduino.

 150M WiFi 802.11 b/g/n. Conector RJ45 1x10M/100M.

 Antena externa con conector I-Pex.

 Entradas/Salidas compatibles con 3.3 y 5V.

2.4.5 Seeeduino Stalker v3

(31)

18

Figura 2.8 Plataforma hardware del Seeduino Starker v3.

Características del hardware.

 Microcontrolador: ATmega 328P

 Oscilador de Cristal: 8MHz

 Chip RTC: DS1337S

 Entradas/Salidas a 3.3v

 Voltaje de alimentación: Batería Li-Po de 3.7v

 Máxima corriente en el pin 3.3v: 800 mA

 Conectividad: I2C,SPI,UART

 Corriente de carga: 300 mA

 Socket para tarjeta SD

 Socket para módulos XBee

 Batería para RTC

 Socket para batería Li-Po y panel solar.

2.5 Plataformas middleware IoT (Internet of Things).

(32)

19

Estas plataformas proveen una interfaz como un punto de acceso a sus recursos accesibles a través de protocolos de Internet, que usan mecanismos de abstracción para mapear una dirección lógica a un recurso físico en forma de Application Programming Interface (API) Representational State Transfer (REST).

REST permite crear servicios y aplicaciones que pueden ser usadas por cualquier dispositivo o cliente que utilice HTTP; el acceso a la información de los recursos se lo realiza mediante la identificación de cada uno de ellos con un identificador global asignado por REST. Un identificador es un URI que utiliza HTTP para comunicarse con diversos clientes de la red y compartir los recursos. Los clientes pueden intercambiar información con los servidores en formato JSON, XML, CSV, entre otros [24].

En este trabajo de fin de titulación se decidió usar algunas de las plataformas middleware IoT, las mismas que se detallan a continuación.

2.5.1 Ubidots

La plataforma Ubidots permite a los desarrolladores de servicios integrar los flujos de datos en un entorno de computación en la nube, para crear aplicaciones que capturan información del mundo real.

Ubidots provee una clave API a cada usuario que se utiliza como identificador de autenticación cuando se transmite los datos de los sensores a la nube; esta plataforma permite la creación de tokens que son claves temporales revocables y que pueden ser utilizadas en lugar de una clave API, con esto adherimos mejores prácticas de seguridad web [25].

Los principales beneficios de la plataforma Ubidots son:

 Capacidad para publicar los datos del dispositivo sobre una API REST.

 Flexibilidad, ya que permite a sus usuarios mezclar diferentes flujos de datos y presentarlos en el dashboard de esta plataforma.

 Disponibilidad ubicua, debido a que está basado en la nube.

(33)

20 Figura 2.9 Plataforma Ubidots.

2.5.2 Phant

Phant es una herramienta de registro modular desarrollada por SparkFun Electronics para la recolección de datos de internet de las cosas, Phant es un software de código abierto detrás de data.sparkfun.com [26].

La plataforma IoT que ofrece SparkFun Electronics es data.sparkfun.com es fácil de usar, libre y robusta. Para el almacenamiento se requiere realizar la creación de una data Stream. Este data Stream proporciona una clave pública y una privada.

(34)

21 Figura 2.10 Plataforma data.sparkfun.com.

Fuente: Tomado de [21] y [26].

2.5.3 Lelylan

Lelylan es una API abierta y un conjunto de herramientas que hacen que sea fácil conectar diversos dispositivos a la nube, y trabaja con el protocolo Message Queue Telemetry Transport (MQTT). Cualquier requerimiento enviado a la API de Lelylan es remitida al dispositivo físico, que aplica los cambios y envía una confirmación de que se han efectuado correctamente y publica datos desde cualquier dispositivo. Lelylan está basado en tres recursos los cuales son necesarios para el posteo, obtención y actualización de los datos de los dispositivos: Devices, Physicals y Types.

(35)

22 Figura 2.11 Plataforma Lelylan.

(36)

CAPITULO 3

(37)

24

3.1 Introducción

En el capítulo 3 se desarrolló la elección y descripción de las variables meteorológicas mínimas que necesita el prototipo, y de acuerdo a las variables seleccionadas se caracteriza los sensores para la recolección de datos. Además en este capítulo se detalla el acondicionamiento de los sensores, así como también se muestra la elección y descripción de los módulos de comunicación entre ellos los de RF (Radiofrecuencia).

La OMM, muestra que los elementos comúnmente utilizados en climatología son la temperatura de aire (la máxima y la mínima), la precipitación (lluvia, nieve caída y todo tipo de deposición húmeda, como granizo, roció, cencellada blanca, escarcha y precipitación de niebla ), la humedad, el movimiento atmosférico (velocidad y dirección del viento), la presión atmosférica, la evaporación, la insolación y el tiempo reinante (por ejemplo la niebla, granizo y truenos) [28].

Para el desarrollo de este proyecto de investigación se seleccionó la temperatura y humedad de ambiente, la dirección y velocidad del viento, la precipitación pluvial, la temperatura y humedad del suelo, temperatura del agua, la presión atmosférica, el punto de roció y la intensidad de luz como variable mínimas del prototipo, tomando como referencia a la estación meteorológica Davis Vantage Pro 2 [29].

3.2 Variables meteorológicas

A continuación se describen las variables meteorológicas que se utilizaron en la implementación de este proyecto.

3.2.1 Viento

(38)

25

3.2.2 Temperatura

La temperatura en general es una magnitud que está relacionada con la rapidez del movimiento de partículas que constituyen la materia. Cuanta mayor agitación presenten éstas, mayor será la temperatura. Además, la temperatura del aire varía entre el día y la noche, entre una estación y otra, y también entre una ubicación geográfica y otra.

La temperatura tiene asociadas algunas unidades de medida, en función de la escala que midamos, las escalas son las siguientes: Celsius (_℃), Fahrenheit (_℉), Kelvin (_°� son unidades absolutas). En este proyecto se utiliza la escala de Celsius, para la obtención de la temperatura del ambiente, del suelo y del agua. Escala Celsius (_℃), consiste en una división regular de 100 intervalos, donde el 0 es el punto de congelación del agua y 100 el punto de ebullición de la misma [30].

3.2.3 Humedad

La humedad es la cantidad de vapor de agua que contiene el aire, esta cantidad es variable y no constante porque depende de diversos factores. La humedad del suelo es la cantidad de agua por volumen de tierra que hay en un terreno, su medida es en porcentaje (%). La medida de humedad más utilizada es la humedad relativa, que se expresa en porcentaje (%) y se calcula con la siguiente expresión.

ℎ =_�� Ec. (3.2.1) Donde:

 _ℎ,es la humedad relativa en (%).

 , representa el contenido de vapor de la masa del aire

 _, es la presión de vapor saturación.

(39)

26

3.2.4 Presión Atmosférica.

La presión atmosférica, es definida como una fuerza que ejerce el aire sobre todos los cuerpos debido a la acción de la gravedad, depende de muchos factores pero el más importante es la altitud. A mayor la altura, menor es la presión atmosférica y cuanto menor es la altura, mayor es la fuerza que el aire ejerce sobre un cuerpo.

Por otra parte la presión atmosférica, es afectada levemente por la temperatura y la humedad, además el clima estable asocia un incremento de la presión atmosférica y el clima inestable conlleva a una disminución de la misma [30].

La unidad de medida de la presión atmosférica según el Sistema Internacional es el Pascal; ( _{Pasca� =} N

m2). También existen otras unidades de medida para expresar la presión atmosférica como:

 Atmosferas

 milímetros de Mercurio (mmHg)

 HectoPascales

 milibares.

3.2.5 Precipitación pluvial.

La precipitación pluvial es un fenómeno importante en la meteorología, esta es generada por las nubes cuando alcanzan su máximo nivel de saturación. Este importante fenómeno también conocido como lluvia consiste en la caída de partículas de agua desde la atmósfera hacia la superficie de la tierra.

(40)

27

3.3 Caracterización de Sensores.

En este apartado se describe cada uno de los sensores que se emplea para obtener la información de las variables mencionadas anteriormente. Para algunos sensores el acondicionamiento no se utiliza ya que incorporan un acondicionamiento embebido.

3.3.1 Weather Shield

Es una tarjeta electrónica adaptable para realizar el sensado de variables meteorológicas, incorpora tres sensores en su diseño con su respetivo acondicionamiento e incluye conexiones opcionales para sensores que permiten obtener variables como la velocidad del viento, dirección del viento, lluvia y sócalos en los que se puede conectar un GPS.

Las variables que permite medir este Shield son:

 Presión barométrica

 Humedad relativa y temperatura

 Luminosidad

La Weather Shield incluye dos conexiones espaciadas con conectores RJ11 para agregar sensores de viento y lluvia, además presenta un conector GPS de 6 pines opcional para agregar un módulo GP635T GPS [21] (ver Figura 3.3.1). Las características de esta tarjeta se resumen en la Tabla 3.3.1.

Figura 3.3.1 Placa Weather Shield.

(41)

28 Tabla 3.3.1 Parámetros técnicos de la Weather Shield.

Características Generales

Parámetro Rango Unidad

Voltaje de operación 3 -10 V

Protocolo _�2

Entradas Analógicas 6

Entradas y Salidas Digitales 14

Sensores incorporados

Sensor Humedad relativa y Temperatura HTU21D

Sensor Presión Barométrica MPL3115A2

Sensor Luminosidad ALS-PT19

Conectores incorporados GPS conector hembra

Conexiones para agregar sensores de lluvia y viento Fuente. Tomada de [32].

3.3.1.1 Sensor de Temperatura y Humedad relativa HTU21D

(42)

29 Tabla 3.3.2. Parámetros técnicos del sensor HTU21D

Voltaje de operación 1.5 – 3.6 V

Consumo de corriente 300 – 500 _��

Disipación de energía 2.7 _�

Protocolo de comunicación _�2

Humedad Relativa Resolución

8 bit 12 bit

0.7 0.04

%RH %RH

Rango operación 0-100 %RH

Precisión (25 _℃) _± %RH

Tiempo de medición 8 bit

12 bit

3 14

Histéresis _± %RH

Temperatura Resolución

12 bit 14 bit

0.04 0.01

℃ ℃

Rango operación -40 – 125 _℃

Precisión (25 _℃) _{± . – ± .} _℃

Tiempo de medición 12 bit

14 bit

11 44 Fuente. Tomada de [33].

3.3.1.2 Sensor de Presión Barométrica MPL3115A2

(43)

30 Tabla 3.3.3 Parámetros técnicos del sensor MPL3115A2

Resolución (presión ) 20 bit

Resolución (altitud) 20 bit

Resolución (temperatura) 12 bit

Comunicación _�2

Presión

Rango de operación 20 – 110 kPa

Precisión (0_{℃ ℃}) _{± .} kPa

Modo barómetro 0.25 – 15 Pa

Modo Altímetro 0.0625 – 0.3 m

Temperatura

Rango de operación -40 – 85 _℃

Precisión(25_℃) _± _℃

Precisión(>25_℃) _± _℃

Fuente. Tomada de [34].

3.3.1.3 Sensor de luz ambiental ALS-PT19

El ALS-PT19 es un sensor de luz ambiental a bajo costo, que consiste en un fototransistor en miniatura, que funciona como un transistor NPN, y debido a la elevada relación de rechazo de la radiación infrarroja la respuesta espectral del sensor de luz ambiental esta próxima a la de los ojos humanos [35]. Las características del sensor ALS-PT19 se resumen en la Tabla 3.3.4.

Tabla 3.3.4 Parámetros técnicos del sensor ALS-PT19

Temperatura

de operación -40 – 85 _℃

Sensibilidad del pico

de la longitud de onda 630 Rango de la sensibilidad 390 – 700

Luz (1000 Lux) 150 _��

Luz (100 Lux) 15 _��

(44)

31

3.3.2 Weather meters

Weather meter es un kit que representa los tres componentes básicos de la medición de clima: velocidad del viento, dirección del viento y precipitación pluvial [37]. (Ver Figura 3.3.2). La Weather Meter integra tres sensores:

 Wind Vane

 Anemómetro

 Pluviómetro.

Figura 3.3.2. Estructura del Weather Meter.

Fuente: Tomada de [20]

3.3.2.1 Wind Vane

Para obtener la medición de la dirección del viento se utilizó una veleta de viento (Wind Vane) esta tiene 8 switchs conectados a diferentes resistores. El imán de la veleta puede cerrar dos switch a la vez, lo cual nos permite tener 16 posiciones diferentes [32]. (Ver Figura 3.3.3).

(45)

32

Figura 3.3.3 Estructura de la veleta de viento.

3.3.2.2 Anemómetro

Este sensor analógico permite medir la velocidad del viento en base a la cantidad de pulsos generados en un tiempo determinado, donde un cierre en un segundo del switch equivale a 2.4 km/h. El anemómetro codifica la velocidad del viento con solo cerrar un switch en cada rotación [32].

3.3.2.3 Pluviómetro

Para poder medir la precipitación pluvial, se empleó un pluviómetro, cuyo funcionamiento

consiste en que cada 0.011’’ (0.2794 mm) se produzca un cierre de contacto momentáneo,

(46)

33

3.3.3 Sensor de Temperatura/Humedad del ambiente RHT03.

El RHT03 es un sensor de bajo costo que permite medir la temperatura y la humedad del ambiente, posee una interfaz digital con un solo cable (One–wire), el sensor esta calibrado y no requiere componentes extra para conseguir una correcta medición; presenta una alta precisión, es de tipo capacitivo y su consumo de energía es reducido [38]. (Ver Figura 3.3.4). Las características del sensor RHT03 se resumen en la Tabla 3.3.5.

Tabla 3.3.5. Parámetros técnicos del sensor RHT03.

Voltaje de operación 3.3 – 6 V

Corriente de operación

Activo 1 – 1.5 _�

Corriente de operación

Reposo 40 – 50 _��

Interfaz de comunicación One–wire

Elemento de sensado Polymer humidity capacitor Humedad Relativa

HR de operación 0 –100 %RH

Precisión _± %RH

Sensibilidad 0.1 %RH

Histéresis _{± .} %RH

Temperatura

Temperatura de operación -40 – 80 _℃

Precisión _{± .} _℃

Sensibilidad 0.1 _℃

(47)

34 Figura 3.3.4 Sensor RHT03.

3.3.4 Sensor de Temperatura/Humedad del suelo SHT10.

El SHT10 es un sensor diseñado para obtener información de la temperatura y humedad relativa del suelo, el sensor se encuentra cubierto por una malla de metal robusta, esta carcasa de metal es resistente a la intemperie y permite el filtrado del agua; las lecturas de humedad tienen una precisión 4.5 % y la temperatura con una precisión de 0.5 _℃ [39] (ver Figura 3.3.5). Las características del sensor se resumen en la Tabla 3.3.6.

Figura 3.3.5. Sensor SHT10.

(48)

35 Tabla 3.3.6. Parámetros técnicos del sensor SHT10.

Consumo de Pot. (Promedio) 90 _�

Consumo de Pot.(Activo) 3

Interfaz de comunicación Two–wire Humedad Relativa

HR de operación 0 –100 %RH

Precisión _{± .} %RH

Tiempo de respuesta s

Histéresis _± %RH

Resolución 8 –12 bit

Temperatura

Temperatura de operación -40 – 123.8 _℃

Precisión _{± .} _℃

Tiempo de respuesta _– s

Resolución 12–14 bit

3.3.5 Sensor de Temperatura, Waterproof DS18B20

(49)

36 Tabla 3.3.7. Parámetros técnicos del sensor DS18B20.

Consumo de corriente.(Activo) 1 – 1.5 _�

Interfaz de comunicación One–wire

Temperatura de operación -55 – 125 _℃

Precisión (-10_℃ a 85 _℃) _{± .} _℃

Tiempo de conversión (12 bit)

Resolución 9–12 bit

Figura 3.3.6. Sensor de Temperatura Waterproof DS18B20

3.4 Acondicionamiento de Sensores.

(50)

37

El acondicionamiento para cada sensor es simple, solo se requiere una resistencia en el pin Data de cada sensor. Los valores de los resistores para el acondicionamiento son: _{. �Ω} para el sensor RHT03, _{. �Ω} para el sensor DS18B20 y _�Ω para el sensor SHT10.

Figura 3.3.7 Esquema de conexión de los sensores

Fuente: El autor.

(51)

38

Figura 3.3.8. Conexión de los sensores con Weather Shield.

Fuente: El autor.

3.5 Módulos de comunicación

Un módulo de comunicación RF, es un dispositivo electrónico que permite trasmitir y recibir información como datos, audio y video desde un punto hacia otro punto. Los módulos pueden ser alámbricos (módulo de comunicación Ethernet) o inalámbricos conocidos como módulos RF (radiofrecuencia) [10].

En este trabajo de fin de titulación, se usaron diferentes módulos de comunicación RF, estos varían de acuerdo al protocolo de comunicación que utilizan y el tipo de información que se desee trasmitir [10].

La comunicación entre los nodos empleó módulos XBee Digi, que son pequeños chips capaces de comunicarse de forma inalámbrica unos contra otros. Los XBee Digi están disponibles en una amplia variedad de frecuencias de RF [44]. Los XBee Digi, que usamos en este proyecto operan en las frecuencias de 2,4GHz y 902 – 928MHz.

 XBee Digi Series 1 RP SMA Conector.

 XBee Digi Series 2 RP SMA Conector.

 XBee Digi Pro 900 RP SMA Conector.

(52)

39

En la comunicación entre el nodo central (Gateway) y el servidor, se probó dos módulos de comunicación RF diferentes y un módulo de comunicación cableado. Los módulos fueron los siguientes: RN-XV WiFly RP SMA Conector, Electric Imp 01 y Shield Ethernet.

3.5.1 XBee Digi Serie 1 RP SMA Conector.

Los XBee Digi Serie 1, son conocidos como XBee 802.15.4, comúnmente son utilizados para comunicaciones punto a punto y punto a multipunto. Las características del XBee Series 1, se resumen en la Tabla 3.3.1 [45] y [46]. (Ver Figura 3.3.9).

Tabla 3.3.8. Parámetros técnicos del XBee Series 1 RP SMA. Características Generales

Parámetro XBee XBee PRO Unidad

Potencia de Salida 1(0dBm) 63(+18dBm) mW

Rango/ Urbano Hasta 30 Hasta 90 m

Rango /línea de vista Hasta 90 Hasta 1600 m

Sensibilidad -92 -100 dBm

Tasa de datos de RF 250 250 Kbps

Frecuencia 2.4 2.4 GHz

Tasa de datos de Interfaz Hasta 115.2 Hasta 115.2 Kbps Redes

Topología Punto a punto, punto a multipunto Opciones de filtración PANID, Canal, dirección de 64 bits

Canales 16 12 Canales

Addressing 65000 direcciones de red disponibles para cada canal

Tipo de espectro ensanchado DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) Power

Voltaje 2.8 – 3.4 2.8 – 3.4 vDC

Corriente TX 45 215 mA

Corriente RX 50 55 mA

Corriente en Modo sleep 10 10 _��

Interfaz UART

(53)

40

Figura 3.3.9. XBee Series 1 PRO RP SMA

3.5.2 XBee Digi Series 2 RP SMA Conector.

Los XBee Digi Series 2, son conocidos como módulos ZigBee, interoperables con otros dispositivos que soporten ZigBee, no son compatibles con los XBee Digi Series 1, son de baja corriente en modo sueño, son programables, y disponen de una interfaz UART y SPI. Las características del XBee Series 2, se resumen en la Tabla 3.3.9 [49].(Ver Figura 3.3.10).

Figura 3.3.10. XBee Series 2 RP SMA

(54)

41

Tabla 3.3.9. Parámetros técnicos del XBee Series 2 RP SMA. Características Generales

Parámetro XBee XBee PRO Unidad

Potencia de Salida 2(+3dBm) 50(+17dBm) mW

Rango/ Urbano Hasta 40 Hasta 90 m

Rango / línea de vista

Hasta 120 Hasta 3200 m

Sensibilidad -96 -102 dBm

Tasa de datos de RF

250 250 Kbps

Frecuencia 2.4 2.4 GHz

Tasa de datos de Interfaz Serial

Hasta 1 Hasta 1 Mbps

Redes

Topología Punto a punto, punto a multipunto, malla Opciones de

filtración

PANID, Canal, dirección de 64 bits

Canales 16 14 Canales

Tipo de espectro ensanchado

DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

Power

Voltaje 2.1 – 3.6 3.0 – 3.4 vDC

Corriente TX 40 295 mA

Corriente RX 40 45 mA

Corriente en Modo sleep

1 3.5 _��

Interfaz UART, SPI

Fuente. Tomado de [51].

3.5.3 XBee Digi Pro 900 RP SMA Conector.

(55)

42

Figura 3.3.11. XBee Pro 900 RP SMA

Tabla 3.3.10. Parámetros técnicos del XBee Pro 900 RP SMA. Características Generales

Parámetro XBee Pro 900 Unidad

Potencia de Salida 50(+17dBm) mW

Rango/ Urbano 140 m

Rango /línea de vista 3000 m

Rango /línea de vista/ antena de alta ganancia

10000 m

Sensibilidad -100 dBm

Tasa de datos de RF 156 Kbps

Frecuencia 902–928 MHz

Tasa de datos Interfaz Serial Hasta 230 Kbps Redes

Topología Punto a punto, punto a multipunto, malla Opciones de filtración PANID, Canal, dirección de 64 bits

Canales 12 Canales

Inmune a interferencia FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) Power

Voltaje 3.0–3.6 vDC

Corriente TX 210 mA

Corriente RX 80 mA

Corriente en Modo sleep 60 _��

Interfaz UART

(56)

43

3.5.4 XBee Digi Pro 900 HP RP SMA Conector.

El XBee Digi Pro 900 HP trabaja desde 902 a 928 MHz al igual que el módulo XBee Pro 900, la única diferencia es la potencia de transmisión, este módulo de RF permite tener un mayor rango de cobertura con una antena de alta ganancia alcanzado hasta los 45 Km, soporta el protocolo DigiMesh, interfaz UART y SPI, además utiliza FHSS inmune a interferencias y dispone de un modo de sleep avanzado (ver Figura 3.3.12). Las características del XBee Pro 900 HP, se resumen en la Tabla 3.3.11 [55] y [10].

Tabla 3.3.11. Parámetros técnicos del XBee Pro 900 HP RP SMA. Características Generales

Parámetro XBee Pro 900 Unidad

Potencia de Salida 250(hasta 24dBm) mW

Rango/ Urbano 610(10Kbps) – 305(200Kbps) m Rango /línea de vista 14(10Kbps) – 6.5(200Kbps)

(w/2.1dB antenas dipolo)

Km

Procesador ADF7023 Transceiver, Cortex-M3 EFM32G230 a 28 MHz programable

Sensibilidad -101(200Kbps) ; -110(10Kbps) dBm

Tasa de datos de RF 10 o 200 Kbps

Frecuencia 902–928 MHz

Tasa de datos Interfaz Serial Hasta 230 Kbps Redes

Topología DigiMesh, Punto a punto, punto a multipunto, malla GPIO Hasta 15 E/S digitales, 4 E.(10 bit) ADC, 2 PWM S. Inmune a interferencia FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)

Power

Corriente TX 215 mA

Corriente RX 29 mA

Corriente en Modo sleep 2.5 _��

Interfaz UART, SPI

(57)

44

Figura 3.3.12. XBee Pro 900 HP RP SMA

3.5.5 RN – XV WiFly RP SMA Conector.

El RN-XV WiFly es un módulo de comunicación Wifi, basado en una arquitectura 802.15.4 pero utiliza una plataforma TCP/IP. Incorpora el protocolo 802.11b/g y tiene un procesador de 32 bits. Las características del RN – XV WiFly se resumen en la Tabla 3.3.12 [56]. (Ver Figura 3.3.13).

Figura 3.3.13. RN – XV WiFly RP SMA

(58)

45

Tabla 3.3.12. Parámetros técnicos del RN _– XV WiFly RP SMA. Características Generales

Parámetro RN – XV WiFly Unidad

Potencia de TX 12 dBm

Tasa de trasmisión 1-11(802.11b) Mbps

Tasa de trasmisión 6-54(802.11g) Mbps

Frecuencia 2.402 – 2.480 GHz

Tasa de datos del host Hasta 460 Kbps

Seguridad WEP,WPA-PSK,WPA2-PSK

Canales 1-14 Canales

Intervalos de canal 5 MHz

Modulación DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) OFDM(default)

Power

Corriente TX 180 (10dBm) mA

Corriente RX 40 mA

Corriente en Modo sleep 4 _��

Interfaz TTL UART

Fuente. Tomado de [57].

3.5.6 Electric Imp 01.

(59)

46

Figura 3.3.14. Electric imp. 01

Tabla 3.3.13. Parámetros técnicos del Electric Imp 01.

Parámetro Electric imp 01 Unidad

Potencia de TX 16.75(802.11b) dBm

Ganancia de la antena 2.5 dBi

Estándar IEEE 802.11 802.11b/g/n

Canales 11 Canales

Procesador 32 bit Cortex-M3

Power

Corriente, Operación ON 80–400 mA

Corriente, Operación Save 5–400 mA

Modo Sleep 6 uA

Interfaz SPI(2 canales), UART(3 Canales), I2C (3 canales) Fuente. Tomado de [58].

3.5.7 Shield Ethernet Arduino.

(60)

47

Figura 3.3.15. Shield Ethernet Arduino

3.6 Protocolos y Topologías

Para este proyecto se plantearon tres escenarios, con el fin de realizar pruebas de funcionamiento de los módulos RF. En el primer escenario se empleó dispositivos XBee Digi Series 1 con el estándar IEEE 802.15.4. Para el segundo escenario se hizo uso de dispositivos XBee Digi Series 2 con el protocolo de comunicación ZigBee. Y en el tercer escenario se utilizó dispositivos XBee Pro 900 y XBee Pro 900 HP con el protocolo de transmisión de datos inalámbricos desarrollado por _��®_{conocido como} _{�� ℎ}��_[61].

Los dispositivos del primer y segundo escenario usaron antenas de 3dBi de ganancia mientras que los módulos del tercer escenario usaron antenas de 3 dBi, 8dBi y 14dBi de ganancia. La topología que se implementó en todos los escenarios es peer to peer y tipo malla. En estas pruebas de funcionamiento se empleó dos Waspmote Gateway que sirven como interfaz Serial – USB entre los módulos XBee y los puertos USB del computador. Se utilizó el software X-CTU en estas pruebas. En algunos módulos se realizó las pruebas de funcionamiento en modo API, a continuación se detalla al inicio de este ítem el formato básico de una trama en modo API 2 [61].

3.6.1 Modo API

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Cada trama en modo API tiene un formato básico y es expresado en notación hexadecimal (ver Tabla 3.3.14).

 Delimitador de inicio. Cada trama API cuenta con un byte de inicio, el byte en hexadecimal es � �; este byte es únicamente para indicar el inicio de una trama y siempre es el primer byte, está totalmente reservado y no puede repetirse, si se repite este byte causará que lea otro inicio de trama en medio de primera trama, por esta razón se utiliza el modo API 2, este evita que los byte reservados se repitan.

 Longitud: Después del byte delimitador de inicio de trama, los 2 siguientes bytes son utilizados para indicar la longitud de la trama. Estos bytes son el byte más significativo (MSB) y el menos significativo (LSB).

 Datos RF (payload): Estos bytes son los que contienen la información que sirve, en este caso la información de los sensores. El payload puede ser desde 2 bytes en adelante, el payload que se usa en este proyecto es de 92 bytes.

 Checksum: El último byte de cada trama siempre es la suma de verificación y se calcula en base a todos los bytes anteriores, se utiliza en la parte de recepción para verificar los errores en las transmisiones.

Tabla 3.3.14.Formato básico de una trama API.

Delimitador de inicio Longitud Datos RF(payload) Checksum

Byte 1 Byte 2 Byte 3 Byte 4 … Byte n Byte n+1 � � MSB LSB Información de sensores Suma de verificación Fuente. Tomada de [62].

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Tabla 3.3.15. Formato básico de una trama API.

Tipo de Trama API Descripción

� AT command(inmediate)

� AT command(queued)

� Remote command Request

� AT command response

� Modem Status