INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA
MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD PROFESIONAL “ADOLFO LOPEZ MATEOS”
SISTEMA AUTOMÁTICO DE MONITOREO REMOTO DE VARIABLES
METEOROLÓGICAS
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:
INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
PRESENTA:
CARLOS ALBERTO RODRÍGUEZ MEJÍA
ASESORES
M.C. JUAN CARLOS IGLESIAS ROJAS DR. ABEL QUEVEDO NOLASCO
RESUMEN
El presente proyecto de tesis titulado “Sistema Automático de Monitoreo Remoto de Variables Meteorológicas” consiste en determinar variables meteorológicas por medio de sensores electrónicos, para lo cual, se diseñó un Sistema de Adquisición de Datos con telemetría basado en microcontroladores PIC como centro de procesamiento, este a su vez, procesa y envía los datos hacia un computador inalámbricamente, que a través de una Interfaz Gráfica (HMI) presenta los datos al usuario, este sistema tiene la capacidad de mostrar en tiempo real la evolución de dichas variables y almacenarlas en un archivo. Además se creó una base de datos la cual guarda estos para un futuro uso de ellos. La Estación Meteorológica Automática, se alimenta con energía fotovoltaica con una autonomía de 4 días en caso de no haber energía solar.
La Estación Meteorológica Automática es capaz de realizar mediciones de: temperatura ambiente, humedad relativa, presión atmosférica, radiación solar, precipitación pluvial, velocidad y dirección del viento incluso en condiciones climáticas extremas. La verificación de los sensores se realizó comparando las mediciones con instrumentos patrón y las mediciones tomadas por la estación agrometeorológica del Colegio de Postgraduados Campus Montecillo, Texcoco, Estado de México.
Palabras clave: temperatura ambiente, humedad relativa, presión, radiación, precipitación, velocidad del viento, dirección del viento, telemetría, comunicación inalámbrica, electrónica, microcontrolador, energía solar,
DEDICATORIA
Dedico esta tesis
A mis padres
A las personas que más quiero, respeto y admiro por el hecho de procrearme y luchar incansablemente
ante las adversidades de la vida.
Catarino Rodríguez Martínez y Bertha Mejía Soto
A mi hermana
Viridiana Rodríguez Mejía, por su apoyo incondicional y cariño desinteresado.
A mis tíos
Quienes contribuyeron, para afrontar de manera eficiente todos mis triunfos con prudencia y
vicisitudes con firmeza. A mis primos
Por su apoyo incondicional y creer en mí.
A mis amigos
David Reyes Muñoz, Carlos Flores Hernández, Marco Antonio Deheza Meraz por la amistad y el apoyo mutuo que siempre hemos tenido
A mis compañeros
Al creador Dios por darme la oportunidad de vivir a plenitud con alegrías y tristezas junto a todas
AGRADECIMIENTOS
Al M. en C. Juan Carlos Iglesias Rojas, por su dirección, persistencia y apoyo, que ha sido parte fundamental para el desarrollo del presente trabajo, por ser un excelente maestro.
Al Dr. Abel Quevedo Nolasco, por su dirección, acertados comentarios, sugerencias y orientaciones que contribuyeron, a mejorar y concluir el presente trabajo.
Al M. en C. Pedro Ríos González, por sus importantes aportaciones, comentarios y su valiosa colaboración, en la realización del presente trabajo.
Al Dr. José Juan Martínez, por su apoyo en la realización del presente trabajo.
Al Dr. Roberto Baca Arroyo, por su colaboración, aportaciones, orientaciones y revisión que permitieron concluir con el trabajo de tesis.
Al Ing. Mauricio Dario Sánchez Ramo, por su disposición, interés y empeño en la revisión de mi trabajo.
Al Sr. Narciso Torres Estrada, por su apoyo incondicional y amistad.
ÍNDICE
RESUMEN ... ii
DEDICATORIA ... iii
AGRADECIMIENTOS ... iv
ÍNDICE ... v
ÍNDICE DE FIGURAS ... x
ÍNDICE DE TABLAS ... xiii
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS. ... 1
CAPITULO 2. REVISIÓN DE LITERATURA. ... 3
2.1 Marco de referencia sobre la revisión de literatura ... 3
2.2 Meteorología y tiempo atmosférico ... 4
2.3 Elemento Meteorológico ... 4
2.3.1 Temperatura ... 4
2.3.2 Presión Atmosférica ... 4
2.3.3 Humedad Relativa ... 5
2.3.4 Viento ... 5
2.3.5 Precipitación ... 5
2.3.6 Radiación solar ... 6
2.4 Estación meteorológica ... 6
2.5 Red de estaciones meteorológicas ... 7
2.6 Estación meteorológica automática (EMA) ... 7
2.7 Componentes funcionales de las EMAs ... 8
2.8 Evolución de las estaciones automáticas ... 9
2.11 Instituciones que recopilan información climatológica ... 16
2.11.1 Gerencia de Aguas Superficiales e información de Ríos (GASIR) ... 16
2.11.2 Comisión Federal de Electricidad (CFE) ... 16
2.11.3 Servicios a la Navegación en el Espacio Aéreo Mexicano (SENEAM) ... 17
2.11.4 Secretaría de la Defensa Nacional (SEDENA) ... 17
2.11.5 Gobierno del Distrito Federal ... 17
2.11.6 Otras instituciones ... 18
2.12 Sistema de control ... 18
2.13 Señal eléctrica y medición ... 19
2.14 El Transductor ... 21
2.15 El sensor su calibración y acondicionamiento ... 21
2.16 Sensores inteligentes ... 23
2.17 El microcontrolador ... 24
2.18 Comunicación electrónica ... 25
2.19 Codificación del mensaje... 27
2.20 Interfaces de comunicación ... 28
2.21 Protocolos de comunicación ... 29
2.22 Ruido ... 31
2.23 Telemetría ... 32
2.24 Energía solar fotovoltaica ... 34
2.25 Convertidores cd-cd. ... 37
2.26 Reguladores reductores. ... 38
2.27 Resumen ... 39
CAPÍTULO 3. DISEÑO E IMPLEMENTACION ... 40
3.2 Ubicación del sitio de prueba ... 40
3.3 El microcontrolador 18F4553 ... 41
3.4 Selección de sensores ... 43
3.4.1 Sensor de temperatura ... 43
3.4.2 Sensor de humedad relativa ... 44
3.4.3 Sensor de presión atmosférica ... 44
3.4.4 Sensor de velocidad del viento (Anemómetro) ... 46
3.4.5 Sensor de dirección del viento ... 46
3.4.6 Sensor de radiación ... 46
3.4.7 Pluviómetro ... 46
3.5 Materiales del diseño de los componentes ... 47
3.6 Diseño del PCB (circuitos impresos) ... 47
3.7 Módulo fotovoltaico ... 52
3.8 Batería ... 56
3.9 Controlador de carga ... 56
3.10 Comunicación via radio Xtend RF Module ... 58
3.11 Software utilizado ... 63
3.11.1 Proteus VSM. ... 63
3.11.2 Software ISIS. ... 64
3.11.3 Compilador C de CCS. ... 65
3.11.4 Software LabVIEW. ... 67
3.11.5 Software Master-Prog ... 69
3.11.6 PCWD IDE Compiler ... 70
4.1 Caracterización del microcontrolador ... 71
4.2 Consideraciones sobre la calibración de los sensores meteorológicos ... 72
4.2.1 Sensor de temperatura ... 73
4.2.2 Sensor de humedad relativa ... 74
4.2.3 Sensor de presión atmosférica ... 76
4.2.4 Sensor de velocidad del viento (Anemómetro) ... 79
4.2.5 Sensor de dirección del viento ... 80
4.2.6 Sensor de radiación ... 81
4.2.7 Pluviómetro ... 82
4.3 Diseño de la fuente digital de energía ... 85
4.4 Consumo promedio de los dispositivos electrónicos ... 87
4.5 Diseño del subsistema de alimentación solar autónomo ... 87
4.7 Diseño y desarrollo de la estación meteorológica automática (EMA) ... 89
4.7.1 Alimentación solar autónoma ... 90
4.7.2 Adquisición de datos ... 91
4.7.2.1 Conversores análogos digitales ... 91
4.7.2.2 Pruebas de la transmisión serial ... 93
4.7.2.3 Prueba del Hardware ... 94
4.7.2.4 Prueba del software ... 95
4.7.3 Envío y recepción de datos ... 97
4.7.3.1 Pruebas de recepción de datos vía radio frecuencia (RF) ... 97
4.7.4 Interface Máquina-Humano (HMI)- Visualización ... 99
4.7.5 Almacenamiento de datos ... 101
4.8 Evaluación de los sensores ... 103
4.8.2 Sensor de humedad relativa ... 106
4.8.3 Sensor de la presión atmosférica (barómetro) ... 110
4.8.4 Pluviómetro ... 112
4.8.5 Piranómetro ... 113
4.8.6 Anemómetro ... 118
4.9 Desarrollo del software. ... 122
4.9.1 Programación del microcontrolador (PIC) ... 122
4.9.2 Diseño de la interface de visualización de variables en LabVIEW ... 124
4.10 Evaluación económica ... 130
4.11 Análisis económico ... 133
CAPÍTULO V. CONCLUSIONES. ... 135
5.1 Conclusiones ... 135
5.2 Trabajo futuro ... 137
REFERENCIAS ... 138
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Configuración típica de una estación meteorológica automática [6].--- 8
Figura 2. Estructura general de un sistema de adquisición--- 19
Figura 3. Modelo simple para medir un proceso físico [17]. --- 20
Figura 4. Modelo de medición con amplificador, convertidor analógico a digital y equipo de salida [17]. - 20 Figura 5. Señal senoidal y su versión digital.--- 22
Figura 6. Principales campos de aplicación de los microcontroladores. --- 25
Figura 7. Componentes en la transmisión de un mensaje. --- 26
Figura 8. Señal digital modulada en amplitud (ASK). --- 27
Figura 9. Estructura de un dato dentro de la interfaz RS232. --- 29
Figura 10. Estructura general de un sistema de telemetría. --- 33
Figura 11. Zona de Fresnel. --- 34
Figura 12. Célula solar fotovoltaica de silicio cristalino [33]. --- 36
Figura 13. Diferentes células de colores de silicio monocristalino [34]. --- 36
Figura 14. Módulo solar fotovoltaico. --- 37
Figura 15. Elementos de reguladores en modo de conmutación [35]. --- 38
Figura 16. Modos de operación de un transistor bipolar en una fuente conmutada de bajada [35]. --- 39
Figura 17. Lugar de experimentación. --- 41
Figura 18. Diagrama principal de procesos. --- 41
Figura 19. Diagrama de flujo de la estación meteorológica. --- 42
Figura 20. Conexión del LM135. --- 43
Figura 21. Estructura interna del sensor de humedad 1. --- 44
Figura 22. Construcción interna del sensor. --- 45
Figura 23. Diseño esquemático del circuito. --- 49
Figura 24. Diseño del PCB. --- 51
Figura 25. Terminación de la PCB. --- 52
Figura 26. Panel solar fotovoltaico MSX-20 de Solarex. --- 53
Figura 27. Vista frontal del panel solar, dimensiones [milímetros/ pulgadas]. --- 54
Figura 28. Características V-I del panel solar fotovoltaico. --- 54
Figura 29. Curva característica entre la Intensidad de cortocircuito y la tensión de circuito abierto. --- 55
Figura 30. La batería. --- 56
Figura 31. Controlador de carga. --- 57
Figura 32. Conexión del sistema solar fotovoltaico. --- 58
Figura 35. Modos de operación del Módulo XTend RF. --- 61
Figura 36. Proceso de simulación del diseño electrónico por medio de Proteus. --- 64
Figura 37. Proceso de diseño electrónico por medio de Proteus VSM. --- 64
Figura 38. Entorno de trabajo del programa ISIS. --- 65
Figura 39. Entorno de trabajo del programa ARES. --- 65
Figura 40. Estructura básica de un programa en editor de CSS. --- 67
Figura 41. Panel Frontal de LabVIEW. --- 68
Figura 42. Diagrama de bloques del panel de código de LabVIEW. --- 69
Figura 43. Prueba de detección del microcontrolador, por medio de Master-Prog. --- 69
Figura 44. Encapsulamiento y pines del microcontrolador. --- 72
Figura 45. Circuito filtro de desacoplamiento. --- 78
Figura 46. Prueba del anemómetro. --- 79
Figura 47. Anemómetro y su respuesta en el osciloscopio. --- 79
Figura 48. Diagrama de conexiones del sensor de dirección del viento. --- 80
Figura 49. Dirección del viento en función del tiempo. --- 81
Figura 50. Diagrama del sensor SP-215 de APOGEE. --- 81
Figura 51. Diagrama eléctrico del pluviómetro. --- 82
Figura 52. Volumen unitario, registro de un volcamiento. --- 83
Figura 53. Diámetro del pluviómetro. --- 83
Figura. 54.Eliminación de rebotes generados por el pluviómetro. --- 84
Figura. 55. Fuente conmutada de energía. --- 86
Figura 56. Pruebas de la alimentación solar autónoma desarrollada.--- 91
Figura 57. Cadena de datos recibida en Hyperterminal. --- 94
Figura 58. Cadena de datos recibida en LabVIEW. --- 96
Figura 59. Cadena de datos en Hyperterminal, en diferente tiempo. --- 96
Figura 60. Página de datos, archivo “prueba1.txt”. --- 97
Figura 61. Distancia máxima para la comunicación entre las antenas (sobre maps de Google Earth). --- 99
Figura 62. Captura de datos desde LabVIEW. --- 100
Figura 63. Información de la estación meteorológica dentro de la base de datos. --- 101
Figura 64. Almacenamiento de datos en MySQL. --- 102
Figura 65. Relación entre las temperaturas del sensor (LM135H) y del bulbo seco del Psicrómetro. --- 104
Figura 66. Relación entre las temperaturas del sensor de la estación Campbell y el Psicrómetro. --- 105
Figura 67. Psicrómetro ventilado tipo Assman. --- 105
Figura 68. Relación entre la humedad relativa del sensor y el psicrómetro tipo Assman. --- 108
Figura 69. Relación entre el sensor de humedad de la estación Campbell Scientific y el de referencia. --- 110
Figura 73. Datos registrados por el actinógrafo Robitzsch. --- 115
Figura 74. Datos calcados en una hoja blanca. --- 115
Figura 75. Hoja calcada recortada. --- 116
Figura76. Muestras de la lectura. --- 116
Figura 77. Integrador de área foliar LI – 3100 C. --- 116
Figura 78. Relación entre el Piranómetro y el actinógrafo. --- 117
Figura 79. Conversión de temperatura. --- 122
Figura 80. Conversión de humedad del aire. --- 122
Figura 81. Conversión de la dirección del viento. --- 123
Figura 82. Conversión de la radiación. --- 123
Figura 83. Conversión de la presión. --- 123
Figura 84. Conversión de la lámina de precipitación. --- 123
Figura 85. Bucle para la velocidad del viento. --- 124
Figura 86. Conexiones para habilitar el puerto serial. --- 125
Figura 87. Estructura Case y las funciones Empty String y Not. --- 125
Figura 88. Estructura de conversión de información (String a valor decimal). --- 126
Figura 89. Funciones de reloj, calendario de LabView (Get Date/Time y Get Date/Time String). --- 126
Figura 90. Integración de funciones para el manejo de los datos (Build String, Case Structure, Write To Spreadsheet). --- 127
Figura 91. Integración de funciones (Quotient & Remainder y Equal To 0) en un ciclo (bucle) y las estructuras de opciones (Case structure). --- 128
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Evaluación del consumo de energía promedio. --- 87
Tabla 2. Dimensionamiento del sistema autónomo en función de la energía. --- 88
Tabla 3. Valores medidos con el multímetro en la fuente conmutada. --- 90
Tabla 4. Temperaturas del sensor electrónico, Campbell scientific y de referencia 3. --- 105
Tabla 5. Datos del psicrómetro del día 10 de agosto al 13 de agosto de 2012 4. --- 108
Tabla 6. Datos de la presión del día 29 de agosto al 30 de agosto de 2012. --- 110
Tabla 7. Registro de volumen, conteo de cambio del balancín para obtener la lámina mínima detectable. - 112 Tabla 8. Registro de la precipitación del día 29 de agosto de 2012. --- 112
Tabla 9. Conversión de las áreas a energía solar recibida del actinógrafo y radiación solar del sensor SP-212 5. --- 117
Tabla 10. Dirección y velocidad del viento del Datalogger y la estación comercial y el análisis vectorial (31 de agosto de 2012). --- 119
Tabla 11. Determinación del cuadrante de vector resultante 6. --- 121
Tabla 12. Resumen de los costos por servicios profesionales (salarios). --- 130
Tabla 13. Estimación de costos del desarrollo del sistema de adquisición de datos remoto. --- 131
Tabla 14. Resumen de costos por concepto. --- 133
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS.
El hombre y los demás seres vivos habitan sumergidos en ese gran océano que se denomina atmósfera, particularmente en la parte llamada biosfera. Por esta razón, el clima y el tiempo atmosférico son dos de los factores principales que intervienen en las funciones del hombre, tanto biológicas como sociales y económicas.
Aunque el hombre ha aprendido a modificar el medio en que vive y se desarrolla, el clima limita los sistemas creados por él, desde los agrícolas y ganaderos hasta los de transporte, pasando por los de vivienda y bienestar social. Debido a esto, el estudio del clima y el tiempo atmosférico son de suma utilidad para el desarrollo de las actividades humanas.
La información climática es importante en la vida del hombre porque ayuda a planear no solamente la productividad agrícola, sino también todo lo relacionado con sus actividades, desde las más elementales como la comida, hasta las más complejas como el esparcimiento. A partir de esta información, en una región determinada, es más fácil definir el tipo de cultivos adecuados y cuáles de éstos tendrán una mejor producción o simplemente qué lugar es más acogedor, climáticamente hablando.
El diseño de estaciones meteorológicas que pueden suministrar datos precisos de parámetros que afectan al planeta se ha convertido en una herramienta para estudiar la evolución del calentamiento global en la Tierra.
Los avances tecnológicos han permitido fabricar sensores electrónicos de dimensiones reducidas, bajo costo y alta fiabilidad capaces de medir estos parámetros medioambientales de forma precisa. En la actualidad la tendencia mundial en todos los campos, es la automatización de procesos ya que esto conlleva a tener datos más exactos, confiables y que además son fácilmente manejables. En México no existe un diseñador de estaciones meteorológicas automáticas hasta el momento, solo empresas que se dedican a comercializar equipos extranjeros, que son muy costosos. En el presente trabajo se pretende aumentar el impulso hacia el sector meteorológico ya que está muy descuidado, además, tener el desarrollo en nuestro país, que sea competitivo de acuerdo a los estándares internacionales y a un precio accesible para todos.
En el presente proyecto los pilares fundamentales son la adquisición, envío y almacenado de información.
Objetivo
General
Realizar el diseño y la implementación de una Estación Meteorológica Automática, obtener información meteorológica a través de sensores en tiempo real con el fin de obtener una base de datos que nos permita llevar un registro del estado del tiempo en el lugar de ubicación, sustituir una estación meteorológica automática comercial.
Objetivos específicos
Realizar el acondicionamiento de las señales de cada uno de los sensores a utilizar para obtener una información veraz y oportuna.
Diseñar e implementar el Sistema de Adquisición de Datos y Control para recolección y envió de datos.
Diseñar e implementar los Subsistemas de Sensores de temperatura, humedad, presión, velocidad y dirección del viento etc.
Diseñar e implementar el Subsistema de Alimentación Solar Autónomo con la utilización de un panel solar, controlador de carga y baterías.
Desarrollar el software del microcontrolador cuya función básica es el control de todos los subsistemas y la adquisición de datos.
Implementar el software para analizar los datos recibidos y crear una base de datos que respalde y justifique la consecución de nuevas obras en beneficio de la colectividad.
Implementar una estación meteorológica automática cuyas variables puedan ser observadas a distancia y en tiempo real.
Realizar pruebas de campo y analizar los resultados obtenidos.
CAPITULO 2. REVISIÓN DE LITERATURA.
2.1 Marco de referencia sobre la revisión de literatura
2.2 Meteorología y tiempo atmosférico
El término meteorología viene de la palabra griega meteoros “alto en el cielo”, que estudia la atmosfera y sus fenómenos. Cuando hablamos sobre el tiempo, se habla sobre la condición de la atmosfera en algún momento en particular y lugar que siempre está en constante cambio. Se utiliza parámetros como la temperatura, humedad, presión atmosférica, viento, precipitación, actúales y previos con el objetivo de predecir el tiempo atmosférico a 24 o 48 horas, y así se elabora un pronóstico del tiempo a mediano plazo [1] [2] [3].
2.3 Elemento Meteorológico
Es una variable atmosférica o fenómeno (temperatura del aire, presión, viento, humedad, tormentas, nieblas, ciclones o anticiclones, etc.) que caracteriza el estado del tiempo en un lugar específico y en un tiempo dado. A continuación se describen algunos de ellos [4].
2.3.1 Temperatura
Es la condición que determina la dirección del flujo neto de calor entre dos cuerpos [3] [4], que expresa el grado de calentamiento o enfriamiento de los cuerpos. Describe un estado y es una variable un poco inusual, dado que no puede ser directamente derivada de variables tangibles tales como masa o longitud. Para el caso de un gas la temperatura es directamente proporcional al promedio de energía cinética de sus moléculas.
Es la fuerza que se ejerce por unidad de superficie como resultado del peso de la atmósfera por encima del punto de medición, es decir es el peso de la columna vertical de aire sobre la unidad de superficie [3] [4].
2.3.3 Humedad Relativa
Es la cantidad de vapor de agua que contiene una masa de aire con relación con el máximo vapor de agua que puede contener un volumen de aire, sin producirse condensación al conservar las mismas condiciones de temperatura y presión atmosférica. La OMM la define como: “la razón expresada en porcentaje, entre la presión de vapor observada y la tensión del vapor saturante con respecto al agua a la misma temperatura y presión” [3] [4].
2.3.4 Viento
En una forma simple se denomina como el movimiento del aire, pero para cuestiones meteorológicas se considera como una cantidad vectorial, que se integra por su magnitud y su dirección, que se representa por su velocidad y dirección respectivamente en un tiempo dado [3] [4]. La unidad estándar para la dirección del viento se da en grados dextrórsum (es decir en sentido de las agujas del reloj) a partir del norte. Su escala es 0-36, o 0-360, donde para 36 ó 360 es viento proviene del Norte y 09 o 90 cuando proviene el viento del Este. Las unidades del viento pueden ser en ms-1, kmh-1, uotra que relacione la distancia entre el tiempo.
2.3.5 Precipitación
(lluvia) o solida (granizo). En otras latitudes se presenta como nieve, escarcha, precipitación de la neblina y rocío.
2.3.6 Radiación solar
Es la energía que proviene del sol que recibe la tierra; una parte penetra la atmósfera mientras que otra es dispersada y/o absorbida por las moléculas gaseosas partículas de aerosoles y las gotas de agua o cristales de hielo presentes en las nubes. La radiación difusa al llegar al suelo después de su primer pasó a través de la atmósfera conjuntamente con la radiación directa, que en parte es reflejada por el suelo. Esta radiación es reflejada por el suelo hacia el espacio, posteriormente, es parcialmente reflejada nuevamente hacia el suelo por la atmósfera, este proceso continúa indefinidamente. La radiación global es la suma de la radiación directa y la radiación difusa [3] [4].
2.4 Estación meteorológica
Es un sitio donde se hacen las observaciones del comportamiento de la atmósfera y el medio ambiente, por medio de observaciones y mediciones de elementos meteorológicos: temperatura del aire y del suelo, humedad del aire, viento, radiación solar, presión atmosférica, tipo de nubes, evaporación y precipitación. La Organización Meteorológica Mundial (OMM) recomienda que se instalen en sitios representativos de las condiciones del clima y del suelo, con ningún obstáculo (árboles, edificios, torres) que proyecten sombras sobre los instrumentos o que impidan la libre circulación del aire. El terreno debe estar cubierto de césped corto y debe ser plano y nivelado, de lo contrario podrían producirse inundaciones o dificultar el acceso al mismo.
Climatológica Agrícolas Especiales Aeronáuticas Satelitales
B) De acuerdo a la magnitud de las observaciones: Principales
Ordinarias Auxiliares
C) Por el nivel de observación: Superficie
Altitud
D) Según el lugar de observación: Terrestre
Aéreas Marítimas
2.5 Red de estaciones meteorológicas
Es el conjunto de estaciones de observación, medición y registro de los diferentes fenómenos atmosféricos, convenientemente distribuidas, útil para determinar el tiempo y el clima de una región agrícola [5]. O bien para otro fin como puede ser de seguridad, seguimiento a fenómenos adversos, a diferentes escalas de observación, regional, estatal, nacional o mundial.
2.6 Estación meteorológica automática (EMA)
tiempo atmosférico. Resulta de vital importancia en diferentes usos p.e, en la agricultura, en el sector turístico, ingeniería civil, para el pronóstico de eventos extremos, inundaciones, factores de riesgo, entre otros. En la agricultura el uso de las EMAs facilita el uso de métodos más eficientes para estimar los requerimientos hídricos de los cultivos, por ejemplo la estimación de la evapotranspiración potencial por medio de la ecuación Penman que requiere diferentes variables meteorológicas. En la actualidad el uso de estaciones agrometeorológicas automáticas cada vez más es una práctica común en el mundo y en México. La Figura 1, muestra la configuración estándar de una estación meteorológica automatizada con radiotelemetría. Las estaciones meteorológicas automatizadas, están equipadas con una serie de sensores conectados a un microprocesador (datalogger) que monitorea, a intervalos configurables, los datos meteorológicos de acuerdo a un programa residente en el procesador [6].
Figura 1. Configuración típica de una estación meteorológica automática [6].
Los componentes funcionales comunes de todas las redes de estaciones incluyen, sensores electrónicos, sistemas electrónicos y hardware de telecomunicaciones. Los avances que han ocurrido en los últimos 20 años en todas las áreas, minimizaron los costos y logística en las mediciones ambientales a largo plazo. De los tres componentes citados la comunicación remota ha crecido más rápido [7].
Un primer registrador de datos optimizado para las redes de agricultura y la climatología fue presentado en 1979. El micro registrador de datos “CR21” manufacturado por Campbell Scientific. Tuvo a un minuto (más tarde a 10 segundos) la velocidad de escaneo, siete analógicas, y dos entradas contadoras de pulso. El registrador almacenaba ligeramente más de 600 valores procesados internamente y soportaba recuperación de datos remota y verificación del sistema a través de líneas telefónicas por rango de voz. Operaba por 6 meses con ocho baterías de celda alcalina y sobre temperaturas de -35ᵒ a 60ᵒ C [9].
2.8 Evolución de las estaciones automáticas
El rápido desarrollo de las estaciones meteorológicas automáticas (EMAs) capaces de funcionar a distancia, permitió la creación de redes EMAs a finales de los 70s y principios de los 80s. Esto ocurrió como causa de nuevas tecnologías de la industria electrónica, en especial la introducción de los semiconductores complementarios de metal–oxido (CMOS, Complementary metal-oxide-semiconductor) de bajo consumo de energía con fuentes de corriente directa (CD) de 12 volts lo hizo posible. El microprocesador, además simplifico el diseño de las Estaciones Meteorológicas Automáticas, permitió el procesamiento de mediciones de los sensores, con la opción de almacenar los datos en el sitio.
tecnología, su aplicación no fue tan generalizada. Grabadoras digitales existentes no eran todavía adaptadas para su operación con bajo consumo de energía a la temperatura ambiente; los registradores gráficos fue la prevaleciente tecnología que se usó para la grabación de información meteorológica. Hoy hay un número inmenso de EMAs comerciales, que han penetrado en diferentes sectores (agricultura, meteorología superficial, etc) en contraste a hace 25 años atrás.
Dos innovaciones dentro de la industria de los circuitos integrados estimularon el rápido desarrollo de instrumentos de medición ambiental. El resultado agitado de la actividad comercial hizo disponible nuevas capacidades a un costo que motivo a extender la aplicación. El primero de estos fue el desarrollo de los circuitos integrados lógicos CMOS (ICs), a principios de los 70s. Esta tecnología ampliamente redujo los requerimientos de alimentación de los dispositivos, la elaboración de baterías de 12 volts de operación practico para instalaciones en campo a largo plazo. La segunda fue la introducción del microprocesador a mediados de los 70s. Esta innovación simplificó el diseño de los registradores de datos, periféricos de telecomunicación y sensores, esto proporciono una mayor sofisticación y funcionalidad.
muestreadas a velocidades de escaneó adecuadas y las mediciones empacadas dentro de resultados, tales como medias y extremas, para él registro. Esta capacidad fue significante en la evolución de las Estaciones Meteorológicas Automáticas [7].
2.9 Evolución de las estaciones meteorológicas en México
El 6 de marzo de 1877 el presidente Porfirio Díaz, de esa época, decretó la creación del Observatorio Meteorológico y Astronómico de México, en dicho observatorio se realizaron las primeras observaciones sistemáticas de la atmosfera [10].
Más tarde en el año 1901 se creó el Servicio Meteorológico Nacional (SMN) que se integró por 31 secciones meteorológicas Estatales y 18 observatorios con algunas estaciones independientes [11].
Para el año de 1947 México firmó el Convenio de la Organización Meteorológica Mundial (OMM), Organismo especializado de las Naciones Unidas, encargado de la vigilancia del tiempo y del clima mundial [10].
En el 2004 México contaba con 16 estaciones de radio sondeo, 79 estaciones sinópticas, alrededor de 3388 estaciones climatológicas, 94 estaciones automáticas, 12 radares meteorológicos y 7 receptores satelitales.
2.10 Fuentes de información meteorológica
El registro de datos de variables meteorológicas en México, se realiza por diversas Instituciones; cuyo objetivo del uso de la información es diverso, entre los que se encuentran: funciones operativas (caso del SMN), para estudios climatológicos, mientras que para otras se trata de estudios específicos o con propósitos de investigación. Entre las instituciones más importantes que solicitan dicha información están: SMN, GASIR, CFE, Aeropuertos, Universidades, Gobierno del Distrito Federal, Ejercito Mexicano y particulares [11].
Dentro del SMN, entre sus funciones está no sólo recabar datos sino crear y mantener un banco nacional de los mismos, así como de intercambiarlos a nivel nacional, regional e internacional bajo las normas de la OMM (Organización Meteorológica Mundial). Para la red básica de recolección de datos están las estaciones tradicionales, sin embargo ya se han instalado redes de estaciones automáticas de carácter permanente o bien otras temporales. Todo esto genera una cantidad de datos que debe verificarse su calidad, intercambiarla, procesarla, para un uso específico.
Dentro de la red de estaciones automáticas frecuentemente se produce un mayor volumen de datos con respecto a las estaciones tradicionales. El acopio de información en cada una de las instituciones no ha habido una discusión seria sobre la manera de capturar y guardar esta información, con el fin de hacerla compatible una con otra y así al organizar esfuerzos, hacia la creación de un banco nacional de datos climatológicos [12].
El Servicio Meteorológico Nacional (SMN), el cual cuenta con tres redes de estaciones tradicionales de monitoreo y operan una red de estaciones automáticas telemétricas, además de las receptoras de imágenes de satélite y radar.
La red de estaciones climatológicas con información cada 24 horas, consiste de alrededor de 3000 estaciones climatológicas que toman lectura de las variables cada 24 horas, a las 8 AM, están a cargo de las gerencias regionales y estatales. Reportan en forma cuantitativa las variables de temperatura observada, temperaturas máxima y mínima de las 24 horas anteriores, evaporación y precipitación acumulada en 24 horas, en forma cualitativa cobertura del cielo, tormenta, granizo y niebla. Algunas coinciden con estaciones hidrométricas y otras con estaciones agro-climatológicas, donde se miden otras variables específicas, como altura y gasto en los ríos en las hidrométricas y humedad del suelo e irradiación solar en las otras.
Las primeras estaciones de esta red datan de los años veinte, esta red se aumentó hasta llegar a casi 5000 estaciones en la década de los setentas. A partir de 1985 aproximadamente se dio un desplome de esta red debido a que se pretendió modernizar al SMN, sustituyendo los sistemas tradicionales manuales por equipo moderno automatizado. El resultado fue desastroso, ambos sistemas se vinieron abajo, y lo más importante fue la carencia absoluta de personal capacitado, ya que también se había descuidado este aspecto. Actualmente trabajan menos de 3000 estaciones y el sistema de recolección de la información, ordenamiento y captura se está realizando de manera muy dispareja en cada región.
sofisticada en una estación de trabajo con un sistema de información geográfico, que fue instalada en el SMN y otro en una versión en discos compactos, utilizable en cualquier computadora personal bajo ambiente MS-DOS, conocido como ERIC (Extractor Rápido de Información Meteorológica), que fue ampliamente utilizada en diferentes instituciones, con el problema de que no se llevó un control de calidad de datos.
Así durante 1999 se intentó actualizar esta información, donde se logró recabarse aproximadamente la mitad de la información faltante. Tanto CLICOM como la segunda versión de ERIC incluyen esta información, que aun presentó problemas con la calidad de la información. Incluso el IMTA ha intentado actualizar la base de datos para todo el país.
La red de observatorios sinópticos, como la segunda red de mediciones del SMN consiste en 85 observatorios en todo el territorio nacional, que toman mediciones cada hora y transmiten los resultados de sus mediciones cada tres horas a la Gerencia Central del SMN en Tacubaya (dentro del Centro Nacional de Telecomunicaciones, Radio XBA). Los datos forman parte del compromiso que tiene México con la OMM dentro del programa de vigilancia meteorológica mundial. Esta información se retransmite a la sede de Washington (como miembro dentro de la región IV) en tiempo real para los análisis sinópticos.
Las variables que se miden son: precipitación pluvial (duración e intensidad), temperatura, presión atmosférica, intensidad y dirección del viento, evaporación, humedad, descripción del cielo, y en algunos casos insolación, estado del suelo, condiciones del tiempo presente y pasado. La información correspondiente a la hora múltiplo de tres llega al SMN codificados, que se almacenan y transmiten a la red Mundial de la OMM. El SMN cuenta con el servicio de brindar la información disponible al usuario que lo solicite. En el año 2000 se creó una base de datos de información sinóptica descodificada (DBSYNOP), como un primer intento para hacer accesible dicha información a los usuarios.
La red de estaciones de radio sondeo, integrada por una red de 15 estaciones de monitoreo de altura, casi todas ellas coinciden con algún observatorio. En todas ellas se realiza un sondeo diario (a las 12 GTM, Tiempo del meridiano de Greenwich), excepto en el observatorio de Tacubaya (12 y 00 GTM). Estas mediciones se comenzaron a realizar en 1948 en el DF, Mazatlán y Mérida. Los datos históricos hasta 1998 han sido recopilados y se editaron en un disco compacto, tarea en la cual colaboró el IMTA.
Los radares, el SMN dispone de 12 radares meteorológicos que pueden producir imágenes de reflectividad y de viento cada 15 minutos. Esto es aproximadamente unas 2000 imágenes diarias. Lamentablemente han existido diversos problemas para mantener en operación a los radares en los últimos años. Por diversas razones, a la falta de especialistas en la interpretación de los productos de radar, no se ha explotado la capacidad potencial de esta información, por lo que es necesario diseñar procedimientos de procesamiento, clasificación y almacenamiento de esta información para futuros estudios.
precipitación pluvial y viento cada 10 minutos; que son transmitidos cada tres horas, procesándose y almacenándose en el SMN.
2.11 Instituciones que recopilan información climatológica
2.11.1 Gerencia de Aguas Superficiales e información de Ríos
(GASIR)
La Gerencia mantiene también una red de estaciones hidrométricas y climatológicas, algunas de las cuales coinciden con las estaciones climatológicas que se reportan en la base de datos CLICOM. Además monitorea los principales vasos de almacenamiento del país, sin embargo operan de manera independiente con respecto al SMN.
Estaciones hidrométricas y climatológicas, red que cuenta con 1700 estaciones de las cuales aproximadamente 900 se pueden comunicar diariamente por teléfono o radio. Todas realizan al menos una medición diaria, aunque algunas hacen mediciones dos o tres veces por día y aún más durante las emergencias. Las variables que se monitorean son nivel de agua, caudal, volumen escurrido, peso y volumen de sedimentos y precipitación.
La Comisión Federal de Electricidad mantiene una red de 200 estaciones hidrometeorológicas permanentes, cuya información hasta 1990 fue incorporada al sistema CLICOM. De la última década se tienen digitalizados los valores mensuales, pero aún no ha sido capturada la información diaria, Además, la CFE posee una estación receptora de imágenes de satélite.
2.11.3 Servicios a la Navegación en el Espacio Aéreo Mexicano
(SENEAM)
SENEAM realiza observaciones de manera permanente en cada uno de los 69 aeropuertos principales del país. Se trata de observaciones horarias, especialmente importantes para el tráfico aéreo, que son transmitidas para el intercambio mundial en tiempo real. Institución que dispone de la información del SMN (radiosondeos y de superficie) como parte de apoyó en sus necesidades de navegación aérea.
2.11.4 Secretaría de la Defensa Nacional (SEDENA)
Institución que maneja una red de observatorios climatológicos sin embargo se desconoce de manera oficial detalles sobre la misma.
2.11.5 Gobierno del Distrito Federal
2.11.6 Otras instituciones
Diferentes universidades del país realizan mediciones para diferentes proyectos de investigación. Estas mediciones no suelen ser permanentes, aunque en algunos casos sí se mantienen en forma operativa unas pocas estaciones de medición. En el caso de la UNAM se ha comenzado a trabajar de manera permanente en algunas de las escuelas preparatorias y CCH. En otros casos como en Guanajuato, la universidad colabora realizando gran parte del trabajo de captura y procesamiento de los datos de la CNA. Entre otras Universidades que cuentan con estaciones meteorológicas tradicionales o automáticas se citan la UACH, UAM, Colegio de Postgraduados, entre otros.
2.12 Sistema de control
Un sistema es un conjunto de elementos o partes organizadas para realizar una función determinada. En términos de un dispositivo se define como aquel que transforma una señal en otra; en el caso de un sistema electrónico es aquel cuyos elementos o partes realizan sus funciones respectivas por medios electrónicos [13] [14].
Un sistema de control es un dispositivo o grupo de dispositivos que actúan conjuntamente para dirigir o regular su propio comportamiento o el de otros y alcanzar un objetivo específico [15]. Para lograr esto, algunos, mantienen una relación entre la entrada de referencia y la salida controlada, lo que les permite modificar las acciones correctivas y adecuarse a diferentes situaciones (ver Figura 2).
Estas varían de acuerdo a su capacidad y comprenden desde microcontroladores, pequeños ordenadores en un simple circuito integrado para pequeñas aplicaciones, hasta computadoras personales de propósito general.
Figura 2. Estructura general de un sistema de adquisición
y distribución de señales para medir (sensar) y controlar [13].
2.13 Señal eléctrica y medición
[16] Describe una señal como la manifestación eléctrica de la información, donde la información representa un conjunto de datos que proporciona conocimiento o sentido de las cosas. Cuando la fuente de información entrega mensajes no eléctricos, se requiere un transductor adecuado para convertir el mensaje en una señal.
amplificador, convertidor analógico a digital y el equipo de salida para su posterior visualización.
Figura 3. Modelo simple para medir un proceso físico [17].
Figura 4. Modelo de medición con amplificador, convertidor analógico a digital y equipo de salida [17].
[18] Mencionan que ninguna medición se puede realizar con una exactitud perfecta, siempre existe algún tipo de error y los clasifican en tres categorías:
Errores gruesos: en gran parte de origen humano como malas lecturas, ajustes incorrectos y equivocaciones en cálculos.
Errores sistemáticos: debidos a fallas en los instrumentos, como partes defectuosas o gastadas.
Errores aleatorios: ocurren por causas que no se pueden establecer debido a variaciones en los parámetros o en el sistema de medición.
2.14 El Transductor
Es un dispositivo capaz de transformar o convertir un determinado tipo de energía a otra diferente, por ejemplo un transductor electromecánico transforma la energía eléctrica en energía mecánica; [13] describe, la señal de entrada y salida no deben ser homogéneas pero si en algún momento lo fueran se propuso el término “modificador” pero no se ha encontrado aceptación.
2.15 El sensor su calibración y acondicionamiento
Un sensor es un dispositivo que, a partir de la energía del medio donde se mide (sensa), da una señal de salida transducible que es función de la variable medida, una ampliación de los sentidos para adquirir un conocimiento de cantidades físicas que, por su naturaleza no pueden ser percibidas directamente. La tendencia actual, particularmente en electrónica es emplear el término sensor.
Las señales pueden describir una amplia variedad de fenómenos físicos y aunque pueden representarse en muchas formas, en todos los casos la información está contenida en un patrón de variaciones que presenta alguna forma determinada [19].
La relación entre señal en la salida de un sensor en específico y los valores correspondientes a un patrón establecido es conocida como calibración [16].
convertida por medio de un ADC (Convertidor analógico-digital) el cual cuantifica y genera un código del dato. Este rango lo define el número de bits del ADC, dado que un bit representa solo dos valores (“1” y “0”) las posibles combinaciones que se pueden hacer con “n” número de bits es 2ⁿ, por ejemplo, al tener un ADC de 3 bits, este generaría un código de 23 = 8 valores.
Cuanto más grande sea el número de bits del convertidor, mayor será el grado de aproximación que tengan con las señales analógicas. Aunque nunca lleguen a ser idénticas debido a que estas últimas contienen infinidad de valores. En la Figura 5, se muestra una señal analógica muestreada por un ADC, donde el tamaño de los “escalones” está definido por el número de bits.
Figura 5. Señal senoidal y su versión digital.
Si los sensores necesitan una señal de alimentación externa, los circuitos de acondicionamiento lo proporcionan, dado que los acondicionadores de señal manejan solo señales eléctricas sin convertirla en otras formas físicas, constituyen lo que se denomina interfaz. Se requiere de otras interfaces del sistema, que son las necesarias para enviar información a través de los canales o líneas de comunicación. Su función y estructura dependen tanto del medio de comunicación como del código que se emplea para transmitir el mensaje [13].
La amplificación y el filtrado constituyen dos de las etapas básicas para el acondicionamiento de señales. La etapa de amplificación permite modificar el nivel de la señal que se obtiene de un sensor o de cualquier dispositivo que ofrezca una respuesta generalmente débil, que pueda ocasionar la pérdida de información adquirida o errores en la misma. Por su parte el bloque funcional de filtrado principalmente permite atenuar o discriminar componentes de frecuencias inadecuadas o indeseadas, con el objetivo de obtener una señal suficientemente limpia que pueda ser procesada en un computador a través de un sistema de adquisición de datos [20].
2.16 Sensores inteligentes
Una red de sensores inalámbricos consiste en un número de dispositivos inalámbricos capaces de registrar medidas ambientales tales como temperatura, luz, sonido y humedad. Las lecturas de los sensores se transmiten hacia una aplicación que tome decisiones basadas en éstas [22].
2.17 El microcontrolador
Un microcontrolador es un circuito integrado digital monolítico que contiene todos los elementos de un procesador digital secuencial síncrono programable de arquitectura Harvard, con memorias de programa y de datos separadas. Se suele denominar también microcomputador integrado o empotrado. Muchos cuentan con una cierta cantidad de memoria EEPROM para el almacenamiento no volátil de datos, con procesadores tipo RISC que cuentan con un pequeño número de instrucciones.
Además con una unidad central de procesamiento que es el cerebro del computador y quien realmente gobierna y ejecuta todos los cálculos, está compuesta a su vez de dos unidades funcionales, la unidad aritmética y la unidad de control. La primera realiza un conjunto finito de operaciones aritméticas y lógicas elementales tales como suma, resta, AND, OR, y la segunda se encarga de leer las instrucciones máquina almacenadas en la memoria principal, decodificarlas, y generar las señales de control de bajo nivel necesarias para que cada instrucción sea ejecutada, unidades de entrada-salida las cuales realizan la transferencia de información con las unidades exteriores al computador y el reloj un oscilador de frecuencia fija que sincroniza las operaciones del resto de componentes del ordenador.
información entre las distintas unidades se realiza a través de unos caminos o BUSES que no son más que conductores en paralelo por los cuales pasan varios bits a la vez. Estos buses suelen ser de 8, 16, 32 o 64 bits, dependiendo del procesador.
Estos poseen mecanismos de seguridad, que proporcionan protección al equipo electrónico contra copias y modificaciones del programa no autorizadas En la Figura 6, se muestran algunos de los campos de aplicación [23] [24] [25].
Figura 6. Principales campos de aplicación de los microcontroladores.
2.18 Comunicación electrónica
senoidal). Las comunicaciones digitales abarcan una amplia variedad de técnicas de comunicación, que incluyen transmisión digital y radio digital. Los sistemas de transmisión digital requieren una instalación física entre el transmisor y el receptor, como por ejemplo un conductor metálico o un cable de fibra óptica [26].
Figura 7. Componentes en la transmisión de un mensaje.
La comunicación se refiere al proceso de transmisión, el transporte de información entre puntos finales de un sistema o red, y lo clasifica de acuerdo al medio en que se transfiere información de uno a otro como [27]:
Cables de cobre, por ejemplo los que se usan en líneas de teléfono.
Cables de fibra óptica, que comúnmente se emplean para altos rangos de transmisión. Ondas de radio, que se usan en los teléfonos celulares y satélites.
Espacio óptico libre, como en los controles remotos infrarrojos de televisión.
Los sistemas de comunicación electrónicos se pueden diseñar para manejar la información: en una sola dirección (modo-simplex), en ambas direcciones pero solo una a la vez (half-duplex), en ambas direcciones al mismo tiempo (modo fullduplex) o en ambas direcciones al mismo tiempo y entre diferentes dispositivos (modofull/full-duplex).
modulación, y reconvierte a la portadora modulada en la información original (es decir, quita la información de la portadora). La demodulación se hace en un receptor, con un circuito llamado demodulador.
Estas técnicas de modulación analógica, en los últimos años, se están desplazando por técnicas de modulación digital, debido a que éstas presentan mayor inmunidad al ruido, un procesamiento más sencillo, alta seguridad en los datos y la multicanalización. La Figura 8, representa una señal digital modulada en amplitud por una onda portadora; cuando llega al receptor la presencia de la portadora muestra el nivel alto del mensaje y la ausencia de esta indica el nivel bajo. [26]
Figura 8. Señal digital modulada en amplitud (ASK).
2.19 Codificación del mensaje
Algunos códigos están diseñados para ofrecer mayor resistencia al ruido e interferencia, tal es el caso del código Barker también llamado código de dispersión o PseudoNoise. El cual funciona al mezclar un patrón pseudoaleatorio de bits para extender los datos antes de que se transmitan, es decir, cada bit de información se modula por medio de una secuencia de bits del código patrón de referencia.
Esto aumenta el tamaño del mensaje que se transmite y hace que la comunicación sea más lenta, sin embargo, cuando un fragmento del mensaje es alterado a causa del ruido o interferencia, éste se puede recuperar si la mayoría del mensaje concuerda con el código patrón.
Los sistemas que solo usan códigos, pero no modulación, son llamados sistemas de transmisión de banda base. Este término se refiere a la banda de frecuencias que se generan por algún dispositivo antes de sufrir alguna modulación. Para comunicaciones en distancias cortas y que viajan por un medio conductor no siempre es necesario la modulación.
Otro de los códigos que más se utiliza es el ASCII (Código Estadounidense Estándar para el Intercambio de Información) que esta con base en el alfabeto latino tal y como se usa en el inglés moderno. El ASCII define códigos para 33 caracteres no imprimibles, de los cuales la mayoría son caracteres de control obsoletos que tienen efecto sobre cómo se procesa el texto, más otros 95 caracteres imprimibles que incluyen letras y números y el resto con símbolos especiales.
Una interfaz es una conexión física entre dos sistemas o aparatos independientes a través de la cual se envían o reciben información entre ellos. Existen diferentes estándares que establecen especificaciones para llevar a cabo dicha conexión, tal es el caso de la interfaz RS232, que define un paquete de ocho bits antecedido por un bit de inicio que sincroniza al receptor para la comunicación y dos de final que indica el bit de paridad y el término del bloque de datos. La comunicación es efectiva si el receptor está configurado a la velocidad en que se efectúa la transmisión.
En la Figura 9, se muestra la estructura de un mensaje dentro del estándar RS232 desde los niveles de +3 a +15 V para representar un espacio (cero lógico) y de -3 a -15 V para una marca (uno lógico). En ausencia de información la señal permanece dentro de los niveles de marca, en un mensaje el cambio de nivel en el primer bit señala el inicio de la transmisión, los siguientes siete bits representan los datos, otro indica la paridad de los bits de datos, y dos bits finales indican el termino del mensaje; al usar solo un conductor para la transmisión, cada bit se sincroniza en un periodo de tiempo definido tanto en el emisor como en el receptor para realizar una comunicación efectiva.
Figura 9. Estructura de un dato dentro de la interfaz RS232.
Las computadoras, deben comunicar con un mismo “lenguaje” para entenderse unas con otras. Este lenguaje común se define como protocolo y en él se detallan las especificaciones para comunicar dos sistemas diferentes. El protocolo se basa en varias reglas como por ejemplo: cual palabra en código binario representará la letra “A” y que voltaje representara el bit “1”, [27] así como en reglas para el direccionamiento, representación, autentificación, detección y corrección de errores.
Uno de estos protocolos es el Modbus, que se diseñó por Modicom para aplicaciones en controladores lógicos programables (PLC’s). El Modbus no está legitimado por un organismo de estandarización pero es una norma aceptada y se usa para muchas aplicaciones donde interviene la conexión de una computadora con una unidad remota (RTU). Existen dos formas de representar los datos en este protocolo: el Modbus RTU, el cual es una representación compacta de datos y finaliza la trama con un CRC (control de redundancia cíclica), y el Modbus.
En el código ASCII, la información la representa por medio de códigos legibles y finaliza con un LRC (control de redundancia longitudinal).
A este conjunto de datos se le conoce como trama de comunicación y normalmente consta de inicio, datos y final, los cuales permiten un manejo ordenado de la información. La trama de comunicación puede presentar anomalías al transmitirse, causadas por ruido eléctrico.
2.22 Ruido
El ruido eléctrico se define como una señal indeseable sin relación alguna con la señal deseada y lo clasifica de acuerdo a la fuente que lo genera como [28]:
Ruido producido por el hombre. Es la recepción de señales indeseables provenientes de otras fuentes como contactos defectuosos, artefactos eléctricos, radiación por ignición y alumbrado fluorescente.
Perturbaciones naturales y erráticas. Ocurren irregularmente y son producidas por relámpagos, tormentas eléctricas en la atmósfera, ruido intergaláctico o disturbios atmosféricos.
Ruido de fluctuación. Se presenta en el interior de los sistemas físicos y es producido por la generación aleatoria, recombinación y difusión de portadores (electrones y espacios no ocupados) en semiconductores.
El ruido producido por el hombre se puede evitar eliminando la fuente que lo produce, mientras que las otras dos son inherentes de los sistemas eléctricos y electrónicos, éstos se puede manifestar en las comunicaciones en forma de interferencia.
2.23 Telemetría
En distancias grandes, cuando el emisor o el receptor son inaccesibles, o cuando se interesa que se puedan mover libremente uno respecto al otro, se emplea la telemetría vía radio. Para esto, en primer lugar, la señal del sensor, una vez acondicionada, se modula (si su salida es analógica) o se codifica (si su salida es digital), para poder ser combinada con otras que vayan a compartir el mismo medio, y se emplea una comunicación dúplex para poder verificar las mediciones. Si la información se transmite en forma de tensión continua proporcional a la medición, la distancia debe ser pequeña debido a que las tensiones parásitas pueden producir ruido y la medida podría alterarse.
La telemetría frecuentemente es inmune a las interferencias, pero no hay normas que permitan utilizar, en un mismo sistema, transmisores de distintos fabricantes. Además, las señales de frecuencia iguales a las del sistema transmitidas, pueden ser fuente de interferencias en circuitos próximos [20].
Figura 10. Estructura general de un sistema de telemetría.
Alcance de la telemetría, es uno de los puntos más importante en los módulos de comunicación inalámbrica es el alcance que es capaz de cubrir. Este es un dato preciso dentro de sus hojas de especificación, sin embargo, está calculado de acuerdo a condiciones ideales como el tipo de antena, su altura y una distancia libre de obstáculos entre emisor y receptor conocida como RF LoS (Radio Frecuency Line of Sight) lo cual resulta lógico al considerar que las obstrucciones reducen el alcance de la comunicación.
Figura 11. Zona de Fresnel.
Las señales más fuertes están en la línea directa entre el transmisor y el receptor, y siempre se encuentran en la zona 1 de Fresnel, que se define por la siguiente ecuación:
(1)
Dónde:
r = radio en metros
D = distancia total en kilómetros
f = frecuencia transmitida en Gigahertz.
Cualquier obstrucción en la zona de Fresnel, reduce el alcance de las comunicaciones, incluyendo edificios, vegetación, el suelo, etc., con el fin de mantener este espacio libre es necesario elevar las antenas.
2.24 Energía solar fotovoltaica
La base de esta tecnología se encuentra en el efecto fotovoltaico, descubierto en 1839 por el físico Antoine Becquerel y que se produce cuando la luz del sol incide sobre un material capaz de absorber esta radiación, que se transforma en energía eléctrica.
f D r
La conversión directa de la energía solar en energía eléctrica se debe al fenómeno físico de la interacción de la radiación luminosa con los electrones en los materiales semiconductores (generalmente silicio, muy abundante en nuestro planeta), fenómeno conocido como efecto fotovoltaico. En la Figura 12, se muestra la incidencia de luz solar, regiones (N y P), colectores de corriente en una célula solar (pequeños elementos fabricados de un material semiconductor cristalino “dopado”, es decir al que han sido adicionados determinados tipos de impurezas), diferentes colores de células de silicio se muestran en la Figura 13. Normalmente una célula fotovoltaica está formada por dos laminas muy delgadas de materiales semiconductores que se superponen: la primera de ellas es un cristal de silicio con impurezas de fosforo, y la segunda, un cristal de silicio con impurezas de boro. Cuando el sol ilumina la célula, la energía de la radiación luminosa provoca una corriente eléctrica en el interior de la misma, generando una fuerza electromotriz entre dos electrodos adosados, respectivamente a cada capa de la célula.
Esta energía solar fotovoltaica es una fuente de energía renovable, es inagotable, limpia y se puede aprovechar en el mismo lugar en que se produce (autogestionada). Los sistemas fotovoltaicos consisten en un conjunto de elementos, denominados células solares o células fotovoltaicas dispuestos en paneles, Figura 14.
Figura 12. Célula solar fotovoltaica de silicio cristalino [33].
Figura 13. Diferentes células de colores de silicio monocristalino [34].
Figura 14. Módulo solar fotovoltaico.
2.25 Convertidores cd-cd.
En muchas aplicaciones industriales se requiere convertir un voltaje fijo de una fuente de cd (corriente directa) en voltaje variable de suministro de cd. Un convertidor cd-cd convierte en forma directa de cd a cd y se llama simplemente convertidor de cd. Se puede considerar que un convertidor cd es el equivalente en cd de un transformador de ca (corriente alterna), con una relación de vueltas que varía en forma continua. Al igual que un transformador, se puede usar para subir o bajar el voltaje de una fuente.
2.26 Reguladores reductores.
En un regulador reductor, el voltaje promedio de salida Va es menor que el voltaje de entrada Vs, por ello el nombre “reductor”.
Figura 15. Elementos de reguladores en modo de conmutación [35].
Figura 16. Modos de operación de un transistor bipolar en una fuente conmutada de bajada [35].
2.27 Resumen
El presente capítulo constó de dos partes, en la primera se hizo una descripción sobre los conceptos básicos de la meteorología, las estaciones meteorológicas, estaciones
automáticas, la red de estaciones, importancia del diseño, desarrollo de una estación
distribución de señales, el sensor su calibración y acondicionamiento, los aspectos generales del microcontrolador, ruido, telemetría, energía fotovoltaica y sobre los convertidores CD-CD
CAPÍTULO 3. DISEÑO E IMPLEMENTACION
3.1 Marco de referencia sobre materiales y métodos
El presente capítulo se integra de seis partes, en la primera se detalla la ubicación donde muestra el lugar donde se realizaron las diferentes pruebas, en la segunda parte solo se menciona brevemente el microcontrolador 18F4553 y sus principales características, en la tercera parte describe la selección de sensores para la integración de la estación meteorológica automática y se da una breve explicación de su funcionamiento de cada uno de ellos, en la cuarta parte se hace una descripción de los componentes que integran el sistema solar fotovoltaico, en la quinta parte explica los módulos de radio frecuencia utilizados, para concluir con el software utilizado que contribuyeron en la realización del presente trabajo.
3.2 Ubicación del sitio de prueba
Figura 17. Lugar de experimentación.
La Figura 18, muestra el diagrama de procesos, el Software es el coordinador principal, primero proporciona los drivers necesarios para que el Microcontrolador realice las funciones requeridas, muestra todos los datos adquiridos a través de una interfaz de usuario para una fácil interpretación , todos estos los almacena en una base de datos, el Microcontrolador realiza una comunicación para obtener en nuestra computadora los datos inalámbricamente y finalmente la estación es la encargada del monitoreo del clima.
Figura 18. Diagrama principal de procesos.
3.3 El microcontrolador 18F4553
Se seleccionó el microcontrolador 18F4553 de la empresa microchip, con arquitectura Harvard, con un procesador del tipo RISC, tecnología CMOS. En la Figura 19, muestra el
•3.1 Monitorea
c) Estación Meteorologica
•1.1 Configura •1.2 Guarda
Datos
a)Software
•2.1Comunica
INICIO
Configuración de:
-La Resolución del ADC 12 Bits.
-Los FUSES (configuraciones de registro del PIC). -La Velocidad de Transmisión (9600 bps, 8bits, 1 bit parada).
-La Velocidad del Oscilador.
-Declara las Funciones (Lectura, Promedio, Descarga, Reinicia) -Declara las Interrupciones (USART, TIMER, Interrupción Externa INT0).
Condicional de Ciclo Repetitivo (SIEMPRE TRUE)
Fin
si no
Menú de opciones para el dato del buffer serial: 1. Temperatura
2. Humedad Relativa 3. Radiación
4. Presión Atmosférica 5. Pluviómetro 6. Dirección del Viento 7. Velocidad del Viento
-De opción 1-6, Manda a llamar las funciones de Lee, Promedia, Descarga y Reinicia.
-Opción 7, Lee el contador de la interrupción externa y lo relaciona con el tiempo definido del Timer
3.4 Selección de sensores
Para la integración de la estación meteorológica automática se incluyeron siete diferentes sensores, en base a lo presentado en Marzo del 2004 “Estación Meteorológica con telemetría” se compraron los sensores de temperatura ambiente, humedad relativa y presión atmosférica y los otros solo se disponían, por lo que a continuación se mencionan dichos dispositivos [2].
3.4.1 Sensor de temperatura
El sensor de temperatura es el LM135H de National Semiconductor, opera como un diodo zener el cual varía su tensión de ruptura inversa de acuerdo a la temperatura de su carcasa. Según la información técnica del sensor (Anexo), cuando este sensor se calibra, ofrece una tensión de salida de 10mV/K, la conexión eléctrica del sensor se muestra en la Figura 20.
Entrega a su salida un voltaje proporcional a la temperatura en ºK, (por lo que no es necesario usar valores de tensión negativos, por no haber temperaturas bajo cero kelvin).
3.4.2 Sensor de humedad relativa
El sensor de humedad relativa modelo HIH-4602-L de Honeywell, su función esta con base en la variación de la capacitancia interna entre dos placas (ver su estructura interna en la Figura 21).El sustrato especial que se encuentra en la parte del centro sufre variaciones en su espesor (se expande) de acuerdo con la humedad a la que se encuentre. Está sujeto por dos placas, una de platino y una metálica las cuales forman un capacitor entre ellas. Debido a que la capacitancia de un capacitor de placas paralelas es inversamente proporcional a la distancia que hay entre sus placas, cuando el sustrato central sufre variaciones, también la capacitancia. Por encima de la capa superior de platino, se encuentra una capa de polímero especial la cual sirve de protección contra la suciedad, agentes corrosivos, etc.
Figura 21. Estructura interna del sensor de humedad 1.
El sensor MPX4115A de Freescale puede medir presión atmosférica (la elección del tipo de sensor depende de la aplicación), que para este caso es de presión absoluta. Este sensor funciona con base en un transductor piezoresistivo o también conocido como galga extensiométrica. Esta galga se encuentra entre dos cámaras, los cuales cuando tienen diferencia en presión hacen que esta se estire y, por lo tanto, cambie su resistencia eléctrica. En la Figura 22, se muestran los detalles de su construcción. Se diseñó al utilizar un piezorresistor monolítico de silicio, que genera una tensión de salida que se modifica con las variaciones en la presión aplicada. El elemento resistivo, que constituye un indicador de torsión, que se implanto iónicamente sobre un delgado diafragma de silicio.
Figura 22. Construcción interna del sensor.
![Figura 13. Diferentes células de colores de silicio monocristalino [34].](https://thumb-us.123doks.com/thumbv2/123dok_es/4966642.75491/49.612.87.555.76.284/figura-diferentes-celulas-colores-silicio-monocristalino.webp)
