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Diseño e implementación de una estación meteorológica

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Academic year: 2020

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PROYECTO FIN DE CARRERA

Presentado a

LA UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

Para obtener el título de

INGENIERO ELECTRÓNICO

por

María Angélica Arroyo Bernal

Diseño e Implementación de una Estación Meteorológica

Sustentado el 06 de diciembre de 2016 frente al jurado:

Composición del jurado

- Asesor: Johann F. Osma Cruz PhD, Profesor Asociado, Universidad de Los Andes

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Estación Meteorológica

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Contenido

1 INTRODUCCIÓN ... 4

2 MATERIALES Y MÉTODOS ... 5

2.1 Equipos ... 6

2.2 Diseño del pluviómetro ... 6

2.2.1 Diseño del embudo ... 7

2.2.2 Diseño de la cubeta ... 8

2.2.3 Diseño del soporte ... 9

2.2.4 Imán e interruptor ... 11

2.3 Implementación del sensor de temperatura, presión y humedad ... 12

2.4 Procesamiento y control ... 13

2.5 Prototipo del sistema – Versión 1 ... 14

2.6 Prototipo del sistema – Versión final ... 16

2.7 Calibración del pluviómetro ... 17

2.8 Calibración del sensor de temperatura ... 18

2.9 Requerimientos del estándar ASAE EP505 APR2004 ... 18

3 RESULTADOS ... 20

3.1 Pluviómetro ... 20

3.1.1 Prototipo del embudo ... 20

3.1.2 Prototipo de la cubeta ... 20

3.1.3 Prototipo del soporte ... 21

3.1.4 Calibración entre el imán y el interruptor ... 21

3.1.5 Datos obtenidos del sensor de temperatura, presión y humedad ... 21

3.1.6 Validación del código ... 22

3.1.7 Validación del prototipo del sistema – Versión 1 ... 23

3.1.8 Prototipo del sistema ... 24

3.1.9 Coeficiente de calibración del pluviómetro. ... 25

3.1.10 Resultados de calibración de temperatura. ... 26

3.1.11 Validación del prototipo con el estándar ASAE EP505 APR2004. ... 28

4 DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES ... 29

5 AGRADECIMIENTOS ... 30

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Lista de figuras

Figura 1. Metodología de trabajo ... 5

Figura 2. Partes de un pluviómetro de cubeta doble. Modificado de [4] ... 7

Figura 3. Modelo final del embudo ... 8

Figura 4. Modelo final de la cubeta ... 9

Figura 5. Sifón con el tubo de PVC ... 9

Figura 6. Modelos del soporte (Enumeración de diseño) ... 10

Figura 7. Prototipos probados del soporte ... 10

Figura 8. Dibujo del prototipo final del soporte. ... 11

Figura 9. Sensor BME280. Tomado de [5]. ... 13

Figura 10. Macro algoritmo del código ... 14

Figura 11. Planos de la PCB de interface ... 14

Figura 12. Circuito de protección de la alimentación. Tomado de [6] ... 15

Figura 13. Dibujo de la base del prototipo ... 16

Figura 14. Diseño del escudo solar. ... 16

Figura 15. Diseño de ventilación del sistema ... 17

Figura 16. Calibración del sensor de lluvia ... 18

Figura 17. Prototipo del embudo ... 20

Figura 18. Prototipo de la cubeta ... 21

Figura 19. Prototipo del soporte ... 21

Figura 20. Resultados obtenidos del sensor del ambiente ... 22

Figura 21. Fallo de conexión con el servidor ... 23

Figura 22. Prototipo de PCB ... 23

Figura 23. Validación prototipo – Versión 1 ... 24

Figura 24. Verificación del efecto de la disipación de calor del procesador y el sensor BME280 ... 24

Figura 25. Unidad de adquisición y procesamiento de datos ... 25

Figura 26. Prototipo final ... 25

Figura 27. Validación de la calibración del sensor de precipitación ... 26

Figura 28. Calibración en interior ... 27

Figura 29. Calibración en exterior ... 27

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INTRODUCCIÓN

Los patrones climáticos y las condiciones climáticas son unos de los factores más importantes que afectan la calidad de vida y la actividad humana. Actualmente, los medios de recolección de datos meteorológicos se hacen a través de costosas estaciones, como consecuencia se presenta una falta de monitoreo integral debido a la limitación de presupuesto e inconvenientes en algunos países [1].

Una condición para la exactitud del pronostico del tiempo es la adquisición de datos meteorológicos completos. Ya que, si estos parámetros son insuficientes la información disponible al público sobre los pronósticos meteorológicos son inexactos. Modelos computarizados para pronósticos del tiempo cubren un área mayor adquiriendo los datos de varias estaciones meteorológicas, instaladas en diferentes lugares. En las capas superiores de la atmosfera también se miden factores de la atmosfera mediante globos meteorológicos. Para hacer pronósticos de largo plazo, se utilizan imágenes meteorológicas tomadas por satélites [1].

A pesar de los costos, las estaciones meteorológicas, se han vuelto muy importantes en campos como la agricultura (por ejemplo, al predecir inundaciones), operaciones militares, el transporte civil y en predicciones de desastres naturales, el trabajo aéreo civil y militar, entre otros [2].

Hoy en día, las estaciones de medición ambiental aumentan constantemente, pero los resultados deben ser verificados antes de su aplicación. Una estación meteorológica típica utiliza múltiples sensores para monitorear la humedad relativa, la temperatura, entre otros [2]. La actividad de prueba de los sensores de medición en las estaciones meteorológicas es fundamental para evaluar el rendimiento de los estos y evitar cualquier comportamiento no deseado antes de la instalación final [2].

El objetivo de este trabajo es diseñar e implementar un sistema electromecánico de una estación meteorológica que permita la adquisición de cuatro variables ambientales. Con este propósito se realizó el diseño e implementación de un pluviómetro y se implementó del sensor BME280 para la medición de tres factores ambientales: temperatura, humedad y presión barométrica. Luego, se implementó el protocolo de comunicaciones para obtener la información generada por la estación climática en un servidor web y se diseñó un sistema de alimentación con paneles solares para lograr un sistema auto sostenible. Por último, se validó el protocolo de calibración y se verificó de la exactitud de las mediciones con el software diseñado.

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MATERIALES Y MÉTODOS

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En la Figura 1 se presenta el diagrama de flujo de la metodología utilizada del diseño de la estación meteorológica.

2.1 Equipos

Para el diseño de la estación meteorológica se utilizaron los siguientes equipos: impresora 3D Ultimaker2 comprada de Ultimaker B.V. (Estados Unidos), vidrio calibrador de lluvia con un área superficial de 366,4 𝒎𝒎𝟐 con 13.335 cm de altura fue comprado de SPI HOME

(China), tubo de PVC de cuatro pulgadas comprado en LOWE’s Companies, Inc. (Estados Unidos), Filamento ABS para impresión en 3D de 3mm adquirido de Prototype Supply by Shenzhen Esun Industrial Co., LTd. (China), calibrador digital 0-150 mm comprado de iGaging Ò (Estados Unidos), la silicona Silicone II Ò adquirida de General Electric Company (GE) (Estados Unidos), el cemento ABS fabricado por Oatey SCS Ò, (Estados Unidos) y el multímetro digital adquirido de Cen –Tech Ò (Estados Unidos).

Los componentes del sistema fueron: el sistema embebido RaspberryPi3, obtenido de RaspberryPi Foundation (Inglaterra), sensor BME280 Temperature, Humidity Pressure Sensor adquirido fabricado por Bosh Sensortec (Alemania) y adquirido a través de Adafruit Industries Ò (Estados Unidos), Interruptor de láminas ORD213 obtenido de Standex-Mender Electronics, Inc. Ò, (Estados Unidos). Imán de neodimio en forma de disco 1/8” x 1/16” adquirido de APEX MAGNETS by Emovedo LLC (Estados Unidos).

Los componentes electrónicos utilizados para la PCB diseñada fueron los conectores hembra fabricados por Sullins Electronics Inc. (Estados Unidos), el transistor P-MOSFET DMG2305UX-7 obtenido de Diodes Inc. (Estados Unidos), el conector rectangular de 40 pines 89898 Drawing adquirido de Amphenol FCI (Estados Unidos), fusible de 2A MF-MSMF200 comprado de Bourns Inc (Estados Unidos), el diodo zener de 5V TVS SMBJ5.0A obtenido de Littlefuse Inc. (Estados Unidos) y el transistor PNP DMMT5401 adquirido de Diodes Inc. (Estados Unidos).

Por otro lado, para la fuente de alimentación se utilizó la batería LIPO Macally MEGAPOWER130, 13000mAh, obtenida de Macally USA (Estados Unidos) y el panel solar Wildtek source 15W Waterproof fabricado por Wiltek (Estados Unidos).

2.2 Diseño del pluviómetro

Las partes del pluviómetro: el embudo, la cubeta y el soporte se diseñaron en el software CubifyDesign (Los archivos. stl está en la carpeta STL en la carpeta de ANEXOS) y el software que prepara el modelo para la impresión 3D utilizado fue Cura 15.06. 02.

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Figura 2. Partes de un pluviómetro de cubeta doble. Modificado de [4]

En la Figura 2 se ilustra el funcionamiento del pluviómetro a diseñar. Por medio de un embudo se recoge el agua, y va llenando uno de los lados de la cubeta, cuando esté lo suficiente pesada, se balanceará y empezará a llenarse el otro lado. En la mitad de la cubeta está imán y en la salida del embudo se encuentra un interruptor de láminas. El interruptor es un dispositivo electromecánico que tiene dos laminas ferromagnéticas selladas herméticamente en vidrio; normalmente está abierto y cuando se expone a un campo magnético, las láminas se cierran [3].

2.2.1 Diseño del embudo

En el primer modelo se definió que el primer diámetro del embudo, el cual permite sostenimiento en la superficie del tubo de PVC, es de 4.5”. El segundo radio, debía ser de 3.9” de diámetro para que encaje en el tubo de PVC (4”de diámetro); El diámetro del círculo inferior y la altura se definieron de 0.25” y 1.201” respectivamente.

Este modelo fue descartado ya que no encajaba correctamente en el tubo de PVC. Por lo cual, en el segundo modelo, se definió el radio de 4” y el resto de parámetros igual. Ambos modelos fueron impresos en la impresora Ultimaker2 con el filamento ABS y se hicieron las respectivas de pruebas. En la Figura 3 se muestra el modelo final del embudo.

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Figura 3. Modelo final del embudo

2.2.2 Diseño de la cubeta

Para el diseño de la cubeta se empezó con un rectángulo y luego una figura piramidal, después se cortaron los planos necesarios para hacer los orificios laterales donde se deposita el agua como se muestra en la Figura 4. En el primero modelo, el grosor de las paredes es de 0.635mm, el largo de la base fue de 50.4 mm y el ancho de 10.16mm. En centro de la base hay una pestaña con forma triangular de 0.639mm de ancho y 0.254mm de alto para poner una aguja sobre la cual se balanceará la cubeta. Estos últimos valores se obtuvieron por medio del calibrador digital. También, en la mitad se estableció un plano de tal forma que en ambos lados de la cubeta se deposite la misma cantidad de agua.

Este modelo fue descartado a medida que en las pruebas realizadas con el soporte se vio la necesidad de aumentar el largo de la base a 50.8mm.

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Figura 4. Modelo final de la cubeta

2.2.3 Diseño del soporte

El correcto funcionamiento del sensor, depende del diseño del soporte. Este determina la forma de drenaje del agua recogida por el embudo y la correcta posición del interruptor para que el sistema electrónico detecte los pulsos. Por esto, para el correcto funcionamiento del sistema se diseñaron y probaron seis prototipos en total los cuales se muestran en la Figura 6 y Figura 7.

En principio se pretendía que la base del sistema fuera una estructura de plástico por la cual se drenara el agua. Por eso se compró el sifón de plástico que encajaba perfectamente con el tubo de PVC de 4 pulgadas como se muestra en la Figura 5. Desde el prototipo 1, se diseñaron los seis brazos de base para que encajaran en el sifón.

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Figura 6. Modelos del soporte (Enumeración de diseño)

Figura 7. Prototipos probados del soporte

El prototipo 1 se hizo pensando en que la cubeta se iba a sostener en la mitad del mismo, pero se descartó ya que las paredes altas limitaban el movimiento de la cubeta. La cubeta que tendría más libertad para moverse si el soporte es una aguja. En el prototipo 2 se hicieron estas modificaciones. Sin embargo, la base cerrada permitió la acumulación de agua se acumule en este espacio. Por lo cual en el prototipo 3 se hizo la base abierta para

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que el agua se drene por el sifón. También se hicieron más gruesos los soportes de las agujas ya que en el prototipo anterior eran frágiles.

En el prototipo 4 se diseñó el soporte vertical para el interruptor de tal forma que se fijara con pegante, sin embargo, al hacer pruebas con la cubeta, el imán fue atraído por los cables metálicos del mismo por lo que debía ser más alejado. Gracias a este diseño, se modificó el largo de la base de la cubeta, el agua se drene afuera del espacio central.

En el prototipo 5 se corrigió lo anterior y se decidió hacer tres agujeros en la estructura vertical, el primero y el segundo para el interruptor y el último para la aguja. El primer y el segundo agujero se diseñaron de tal forma que el imán pasará por el centro del interruptor, sin embargo, esto no funcionó porque el interruptor no se cerraba cuando la cubeta (con el imán en el centro) se balanceaba. Se hicieron pruebas con dos imanes, pero estos se adherían a los cables del interruptor ya que la intensidad del campo magnético es mayor.

Después, de calibrar el imán con el interruptor, en el prototipo 6 definieron los dos primeros hoyos de tal forma que el imán pase en el extremo inferior del interruptor, el grosor del rectángulo vertical de 3.8 mm para lograr la distancia requerida que se estima entre estos (4 mm); lo descrito se observa en la Figura 8.

Figura 8. Dibujo del prototipo final del soporte.

2.2.4 Imán e interruptor

Se escogió utilizar el interruptor de láminas ORD213 el cual es un pequeño interruptor de un solo contacto, diseñado para cargas inferiores de 24V; está sellado en un tubo de vidrio con gas inerte para mantener la confiabilidad del contacto.

Teniendo en cuenta que la sensibilidad del imán es medida en Ampere-turns (AT) que define la fuerza magnética relativa o la sensibilidad de los puntos de apertura y cierre [3]. Se

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hicieron pruebas de calibración de con tres interruptores diferentes. El primero de 10 ~ 15 AT, 15 ~ 20 AT y de 20 ~ 30 AT de menor a mayor sensibilidad respectivamente.

De acuerdo las pruebas realizadas, efectivamente entre mayor AT el interruptor se cierra a una mayor distancia del imán. Sin embargo, para determinar la sensibilidad apropiada se debía diseñar el prototipo de tal forma que el este se cierre cuando la cubeta se balancea.

En las pruebas con el prototipo del soporte número 5, se observó que el interruptor se cierra cuando el imán pasa por los laterales y no por el centro de mismo. Esto se debe a que el imán utilizado es en forma de disco, en el cual una cara es el polo norte y en la otra el sur; y los campos magnéticos están alrededor de estas pues van de norte a sur. Por lo cual, si una cara del disco para por el centro del interruptor los campos magnéticos serán más débiles y el este no los detecta.

Teniendo en cuenta, que el centro del imán debe pasar por los laterales del interruptor; se realizó la calibración para obtener la distancia entre ellos de tal forma que los campos magnéticos sean los detectados por el interruptor y el imán no se atraiga hacia a los cables metálicos del mismo.

Para esta calibración fue necesario separar el soporte general con el soporte vertical para el sensor. De esta forma, con las probetas de un multímetro en los extremos del interruptor se medió continuidad para determinar cuándo se cerraba. La cubeta con el imán estaba en el soporte y se varió la distancia del soporte vertical hasta obtener la distancia deseada.

2.3 Implementación del sensor de temperatura, presión y humedad

En procesador para el sistema de control y procesamiento escogido fue la RaspberryPI3 la cual cuenta con un el procesador ARMv8 CPU a 1.2GHz 64-bit quad-core, el modulo Wifi 802.11n Wireless LAN, 1GB de memoria RAM, la alimentación es de 5V; el sistema operativo el Raspaban.

Después de una búsqueda comercial, en primer lugar, se escogió el sensor BMP280 desarrollado por la compañía Bosch, el cual mide temperatura y presión; este fue implementado exitosamente con la RapsberryPi; por medio del circuito interintegrado I2C el cual es utilizado para la comunicación entre microprocesadores (ARMv8 en este caso) con sus periféricos (sensor); este protocolo de comunicación utiliza dos líneas, SCL para la señal de reloj y SDA para la transmisión de datos bidireccional en el modelo maestro-esclavo. Sin embargo, se cambió por el sensor BME280 [8], ya que mide temperatura, presión barométrica y humedad.

Entre las especificaciones eléctricas del sensor, está que el voltaje de alimentación es de 1.71V a 3.6, el consumo de corriente en operación es de 3.6𝜇𝐴. Su exactitud es del 3%

en humedad, ±1hPa absoluta y ±1℃ [5]. Debido a que el sensor tiene dimensiones de 2.5 𝑥 2.5 𝑥 0.93 𝑚𝑚3 [8]; La compañía Adafruit Industries, desarrollo una tarjeta PCB en

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la cual están definidos los pines de tal forma que se es posible acceder a estos con un conector regular; también tiene un regulador de voltaje a la entrada de 3.3 V y dos transductores de nivel (5V y 3.3V). Este sensor se observa en Figura 9.

Las pruebas para obtener los datos, se hicieron guardándolos en un archivo de texto y después se enviaron al servidor de www.thingspeak.com en el cual estos se grafican.

Figura 9. Sensor BME280. Tomado de [5].

2.4 Procesamiento y control

Se diseñaron dos códigos de programación, la versión 1 y el código final que mejora significativamente la versión 1 con el uso de interrupciones. En primer lugar, se diseñó un código de programación, el cual era complejo ya que tenía que abrir, escribir y leer un archivo de texto en cada iteración; lo cual no es una buena práctica en programación y era necesario ejecutar dos scripts, uno como un subproceso.

El código está compuesto por un programa principal el cual se encarga de inicializar las variables y los pines de interrupción, luego adquiere datos de las cuatro variables y los envía al servidor de www.thingspeak.com. Se define una interrupción la cual lleva en la cuenta el número de balanceos de la cubeta, está cuenta es reiniciada a la media noche por el programa principal. Se define una excepción en la cual si no hubo comunicación con el servidor el procesador se tendrá que reiniciar para ejecutar el código de nuevo. El macro algoritmo se muestra en la Figura 10. La variable ttc (teeter totter count) se encarga de acumular el número de balanceos del pluviómetro. En la carpeta de ANEXOS, se encuentra el archivo AlgoritmodelCodigo.png en el cual se explica el algoritmo del código en mayor detalle.

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Figura 10. Macro algoritmo del código

2.5 Prototipo del sistema – Versión 1

Para hacer el prototipo del sistema, se diseñó una PCB para conectar el

microprocesador y sus periféricos; en este caso el sensor BME280 y el pluviómetro. Estas conexiones inicialmente se hicieron por medio de cables y una protoboard. Esta PCB fue diseñada en el software CIRCAD, los archivos de impresión están en de ANEXOS en la carpeta PCB.

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Adafruit también recomienda implementar un circuito de polarización inversa para proteger las fuentes de alimentación en el caso se alimenten por el puerto microUSB y por los pines [6]. Es esquemático de este circuito se observa en la Figura 12.

Figura 12. Circuito de protección de la alimentación. Tomado de [6]

Por otra parte, en la Figura 13 se muestra el dibujo de la base del prototipo. En el lado superior, se pretende poner instalar el pluviómetro. También, hay dos cavidades por la cuales se drenará que entre al sistema sin que los componentes de la parte inferior se vean afectados.

En el lado inferior hay una cavidad con las medidas para la tarjeta el sistema de adquisición y procesamiento diseñado. También, se dibujaron las protuberancias para los tornillos de sostenimiento del misma. Las cavidades laterales permiten que el calor disipado por el microprocesador salga del sistema y se produzca circulación de viento. Esto es importante para que el sensor detecte las condiciones del ambiente y no las del sistema encapsulado.

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Figura 13. Dibujo de la base del prototipo

2.6 Prototipo del sistema – Versión final

Debido al efecto de la disipación de calor del procesador en las mediciones de temperatura y humedad, se rediseñó el prototipo de tal forma que el sensorBME280 alejado de este para que se los datos tomados ambiente y no del sistema. Haciendo una investigación comercial, se notó que la mayoría estaciones climáticas comerciales utilizaban un escudo solar o solar shield. Ya que estas garantizan la circulación de aire y además evitan que el sensor este directamente al sol lo cual podría alterar las mediciones. Los pasos del diseño del escudo solar se ilustran en la Figura 14.

En primer lugar, se recicló un recipiente de plástico de tamaño mediano. Como se sabía que el sifón tenía el mismo diámetro que el tubo de PBC se recortó este círculo y luego se pintó el plástico con pintura en aerosol blanca (Figura 14). Luego, se hicieron agujeros en el tubo de PBC para permitir la circulación de aire y así el sensor mida el estado del ambiente en ese momento. Esto se muestra en la Figura 15.

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Figura 15. Diseño de ventilación del sistema

Con respecto al sistema de alimentación, para determinar el tamaño de la batería se midió la corriente consumida por el sistema de procesamiento en ejecución. Se observó que en el momento en el cual estaba enviando la información al servidor de thingspeak se presentó el pico consumo de corriente hasta 375mA a 5V. Se intentaron buscar referencias de cómo disminuir el consumo de corriente de la misma, pero no se encontró una referencia clara.

Para determinar el tamaño apropiado de la batería y el panel solar, se hicieron los siguientes cálculos:

- Máxima potencia consumida por la raspberryPi en operación

5𝑉 ∗ 400𝑚𝐴 = 2𝑊

- Es la energía requerida por el sistema durante 24 h

2𝑊 ∗ 24ℎ = 48𝑊ℎ

Se supone que el amanecer y el atardecer se presenten a las 6am y 6pm respectivamente (12 horas de sol). Se pretende que durante el día la batería se recargue por medio de un panel solar y al mismo tiempo alimente el sistema. Y por la noche la batería este lo suficientemente cargada para alimentar el sistema durante las siguientes 12 horas.

2.7 Calibración del pluviómetro

Con el fin de simular la precipitación se hizo una prueba con un rociador y se ubicó el sistema de tal forma que el embudo recogió agua. Alrededor del embudo se ubicaron tres pluviómetros sencillos (replicas). La cantidad de lluvia recogida por el embudo es aproximadamente el promedio de la recogida por los pluviómetros.

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El en este momento se estaba enviando al servidor el número de balanceos; de esta manera se calcula el coeficiente de calibración. Pues, será equivalente a la cantidad de lluvia sobre el número de balanceos. Este coeficiente determina la cantidad de agua que debe tener la cubeta para que se produzca un balanceo. El montaje de esta prueba se muestra en la Figura 16.

Figura 16. Calibración del sensor de lluvia

Después de hallar el coeficiente de calibración, se realizó una validación para determinar el error del mismo. El área superficial del cono es de 84.59𝑐𝑚<; si se quiere medir 1 mm se

lluvia, entones el volumen de la muestra debe ser de 8.459𝑐𝑚3. Como 1ml = 1 𝑐𝑚3 = 1 g;

entonces se necesitan 8.459 g de agua para lograr este objetivo. Debido a que la balanza disponible no tiene precisión de décimas, la muestra fue de 9 g de agua que equivalen a 1.0639mm.

2.8 Calibración del sensor de temperatura

Para calibrar la temperatura se realizaron dos pruebas, una en el interior y otra en el exterior. Se ubicó el sistema en un interior con el cual se controla la temperatura con un termostato Honeywell modelo TH6320WF02 y el termómetro Taylor. En el ambiente exterior los instrumentos de referencia es el termómetro y el reporte del clima en Phoenix, AZ en la página de internet www.wheather.com la cual es la referencia principal del google.

2.9 Requerimientos del estándar ASAE EP505 APR2004

American Society of Agricultural and Biological Engineers (ASABE) es una organización profesional y técnica que se dedican a adelantar aplicaciones de ingeniería en sistemas agrícolas, alimentarios y biológicos. Los estándares ASABE son documentos de consenso

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desarrollados por y para la organización. Sin embargo, son solamente informativos y de asesoría. Las personas o las industrias que los adopten lo hacen voluntariamente [9].

La telemetría de datos a una instalación de cómputo puede realizar por teléfono (estándar o celular) y conexión por módem, telemetría de radiofrecuencia terrestre, telemetría por satélite, tecnología de explosión de meteoritos, etc.

Con respecto al registro de datos recomiendan utilizar un microprocesador para implementar una estación meteorológica automática. Este dispositivo debe ser programable por el usuario para permitir leer las variables en los intervalos de tiempo recomendados. También, debe tener interfaces de comunicación apropiadas para la transferencia de datos a medios de almacenamiento o equipo de telemetría. A continuación, se van a listar las recomendaciones para las cuatro variables de interés:

Sensores de temperatura: La temperatura del aire y del suelo puede medirse con termistores, detectores de temperatura de resistencia (RTD) o termocuplas. Las termocuplas miden la diferencia de temperatura entre una unión de medición y una unión de referencia. Los sensores de temperatura de aire deben ser implementados con un mínimo de un escudo de radiación naturalmente ventilado. Los sensores de temperatura del suelo deben estar sellados ambientalmente para evitar la penetración de humedad.

Las unidades utilizadas son ºC, el sensor debe estar instalado a una altura del suelo entre 1.5m y 3m, el intervalo de muestreo debe ser menor a 60 segundos y los valores reportados cada hora es la temperatura promedio, instantánea, máxima o mínima. El rango de medición debe estar entre -30ºC a 50ºC, la resolución debe ser mínimo de 1ºC y la resolución digital de 1mV 𝑉=>, la exactitud especificada debe ser de 0.3ºC y la exactitud de

campo esperada de ±0.5 º𝐶.

Sensores de humedad relativa: Los tipos más comunes de sensores de humedad relativa miden los cambios en las propiedades físicas, químicas o eléctricas de un material al absorber el vapor de agua. Estos pueden incluir medidas de deformación, o mediciones del cambio en la resistencia eléctrica o capacitancia.

Las unidades utilizadas son %, el sensor debe estar localizado a la misma altura del sensor de temperatura de aire, el intervalo de muestreo debe ser menor a 60 segundos y los valores reportados cada hora es la humedad promedio, instantánea, máxima o mínima. El rango de medición debe estar entre 10% RH a 100% RH con resolución mínima de 1% y la resolución digital de 10mV, la exactitud especificada debe estar entre ±0.3% 𝑎 ± 5%𝑅𝐻 y la exactitud de campo esperada de ±5% 𝑅𝐻.

Medidor de lluvia: Los medidores de lluvia de cubeta de balanceo funcionan en un principio de cierre del interruptor que genera impulsos eléctricos cuando la cubeta recibe la lluvia recolectada por un embudo. Conociendo la profundidad representada por cada balanceo y

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contando el número de los mismos, se puede determinar la cantidad lluvia durante un intervalo de tiempo especificado. La intensidad de lluvia, también, se puede determinar registrando el tiempo entre cada balanceo.

Las unidades utilizadas son 𝑚𝑚 ℎ=>, el sensor debe estar localizado a una altura del suelo

menor a 10m, el intervalo de muestreo se debe determinar el tiempo entre balanceos, los hidrólogos recomiendan un intervalo de muestreo de mínimo 15 minutos, pero es común que se utilicen intervalos de 1 minuto. y los valores reportados cada ahora la precipitación total o la velocidad o intensidad de la misma. El rango de medición debe estar entre

0 𝑎 200 𝑚𝑚 ℎ=>, la resolución debe ser mínimo 0.25 𝑚𝑚 ℎ=> y la exactitud de campo

esperada de −10% 𝑎 100 𝑚𝑚 ℎ=>.

Por otro lado, la mayoría de los procesadores de datos funcionan con corriente continua (CC). Los requisitos de alimentación del procesador para la medición, el procesamiento y almacenamiento de datos deben ser mínimos, permitiendo una operación prolongada antes de que sea necesario reemplazar las baterías. La corriente alterna puede utilizarse para la carga de la batería con un transformador de voltaje adecuado y una adecuada protección contra sobretensiones. También se pueden usar paneles solares para controlar de la carga de las baterías con la regulación de voltaje apropiada.

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RESULTADOS

3.1 Pluviómetro

3.1.1 Prototipo del embudo

Para el prototipo final del embudo, se utilizaron 9 cm del tuvo PVC y este el embudo encajo a precisión. En la Figura 17 se observa el prototipo final del embudo.

Figura 17. Prototipo del embudo

3.1.2 Prototipo de la cubeta

En la Figura 18 se muestran los prototipos de cubetas probados, los dos de color oscuro hacen parte del primer diseño y el blanco es el prototipo final. Como se puede observar el imán de neodimio fue adherido con el pegante RapidFix, el cual se cura con luz UV. Con este

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mismo pegante se adhiere la ajuga en la base. Note que el largo de la aguja varia, ya que este fue calibrado de acuerdo al soporte.

Figura 18. Prototipo de la cubeta

3.1.3 Prototipo del soporte

La última modificación al soporte fue cerrar el extremo de la aguja en el lado opuesto a el interruptor para que esta no se mueva hacia delante, hacia atrás o hacia arriba, ya que esto ocasionaría que la cubeta se salga de soporte. Esto se observa en la Figura 19.

Figura 19. Prototipo del soporte

3.1.4 Calibración entre el imán y el interruptor

En primer lugar, se realizaron pruebas con el interruptor de láminas de 15 ~ 20 AT que representa una sensibilidad intermedia. Cuando el interruptor detectaba campos magnéticos, la fuerza electromagnética por los imanes causó que la cubeta de su sitio en varias ocasiones; por esto la siguiente prueba fue con el interruptor de 10 ~ 15 AT en el cual se llegó a la distancia ideal donde la cubeta permaneció en el soporte y el multímetro registraba continuidad.

3.1.5 Datos obtenidos del sensor de temperatura, presión y humedad Se utilizó una licencia de Adafruit para leer los registros del sensor [9] y [10]. Los datos obtenidos por el sensor son temperatura en ℃, presión barométrica en Pa y humedad en %. Al observar los datos en un archivo de texto se observaron variaciones significativas en la variable temperatura.

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Al observar las gráficas en el enlace https://thingspeak.com/channels/174001 se pudo el patrón de comportamiento del termostato, ya que cuando este tiene ciclos en los cuales cada 10 minutos se encienden los ventiladores (aire acondicionado en este caso) para enfriar el ambiente; luego la temperatura aumenta y estos se vuelven a encender. Por otro lado, con respecto a la humedad se presenta el comportamiento contrario ya que es más húmedo en la medida en que baja la temperatura. Esto llevo a la conclusión que el sensor tenía una buena sensibilidad.

Figura 20. Resultados obtenidos del sensor del ambiente

3.1.6 Validación del código

Para validar el correcto funcionamiento del código, se hizo una prueba de adquisición de datos la cual intencionalmente se apagó el router y observar si el procesador vuelve a establecer conexión. Esta prueba es exitosa como se muestra en la Figura 21, ya que se muestra la recolección de datos de las cuatro variables y la falla de conexión que presentó entre las 18:49 y 18:51.

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Figura 21. Fallo de conexión con el servidor

3.1.7 Validación del prototipo del sistema – Versión 1

Se comprobó el correcto funcionamiento de la PCB pues se soldaron los respectivos componentes y al conectar el sistema se obtuvieron datos en el servidor (Figura 22). Por otro lado, se imprimió el soporte del sistema y se instaló el pluviómetro y el sistema de procesamiento.

Figura 22. Prototipo de PCB

Para validar este prototipo se hizo una prueba un refrigerador, en el cual los resultados se muestran en la Figura 23; estos resultados no tienen sentido ya que el termómetro de referencia (Taylor Gourmet Prommable Stainless Probe Thermometer) registraba una

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temperatura de 41℃ lo que equivale a 5℃. Se supuso que el problema era la proximidad del sensor al microprocesador el cual tiene una disipación de calor significativa; esto se validó soldando cables de diez centímetros entre la PCB y el sensor BME280; los datos adquiridos se muestran en la Figura 24 en la cual se reportan temperaturas entre 5.5℃ a 6.5℃. Esto llevo a la conclusión que las aperturas del para la circulación de aire no eran suficientes para que el sensor leyera el estado del ambiente.

Figura 23. Validación prototipo – Versión 1

Figura 24. Verificación del efecto de la disipación de calor del procesador y el sensor BME280

3.1.8 Prototipo del sistema

Al alejar el sensor de la unidad de procesamiento el soporte del sistema se muestra en la Figura 25. El prototipo final del sistema se observa en la Figura 26. En la parte superior se encuentra el pluviómetro. Después el sistema de procesamiento y control, seguido por el sistema de adquisición de temperatura, humedad y presión. Por último, encuentra la batería que es conectada al panel solar.

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Figura 25. Unidad de adquisición y procesamiento de datos

Figura 26. Prototipo final

Debido a que el sistema una bacteria con capacidad energía total de 24Wh (12h a 2W). La bacteria debe tener la capacidad de proveer 400𝑚𝐴 ∗ 12 = 4800𝑚𝐴ℎpara toda la noche. La batería probada fue Macally MEGAPOWER130 13000mAh. Lo cual garantiza que podrá alimentar el sistema por las 12 o más horas de oscuridad. Con respecto al panel solar, se utilizó el panel Wildtek source 15W; el cual tiene la capacidad de alimentar el sistema y recargar la batería al mismo tiempo.

3.1.9 Coeficiente de calibración del pluviómetro.

Se realizaron dos repeticiones del método de calibración del pluviómetro. En la primera prueba se registraron 982 balanceos; el tubo1 recogió 136.1mm, el tubo2 116.94mm y el tubo3 99.37 mm. En promedio se recogió 117.47mm. Lo cual indica que por el balaceo se

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produce con 0.1196mm. En la segunda prueba se registraron 758 balanceos; en él tuvo1 se recogió 102.54mm, en el tubo2 98.89mm y en el tubo3 69.13mm; en promedio fue 103.52ml lo que corresponde a 0.1189mm por balanceo. Entonces el número de calibración es el promedio de ambos que corresponde a 0.1193mm/balanceo.

Después se realizó el método de validación del coeficiente de calibración. En el cual se derraman lentamente 9g y se espera medir 1.0639mm. La Figura 27 muestra que la cantidad de agua medida fue de 1.1962322mm. Es decir, que se presenta un error del 11% de acuerdo al valor teórico; esto se debe a que este factor de calibración también debe estar en función de la velocidad de la precipitación. El error relativo es de 12.4% y el error absoluto de 0.13mm.

Figura 27. Validación de la calibración del sensor de precipitación

3.1.10 Resultados de calibración de temperatura.

La Figura 28 muestra los resultados obtenidos de la calibración en el exterior. La imagen superior derecha muestra la lectura del termómetro antes mencionado; la imagen inferior derecha muestra la lectura del termostato del interior y la imagen a la izquierda muestran los resultados obtenidos. El termómetro se ubicó al lado del sistema mientras que el sensor del termostato estaba alejado de este. Como 72℉ equivalen a 22.22℃, y el sistema reporta una medida de 23.3 lo cual indica un error relativo del 4.8%.

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Figura 28. Calibración en interior

Por último, se hizo está prueba al aire libre, donde la temperatura medida por el termómetro fue de 50 ℉ que equivalen a 10 ℃ y la lectura obtenida después del enfriamiento del sistema fue de 11.48 ℃ lo que indica que el error fue del 14%. Es decir que el error de medición aumento; esto puede deberse a que el calentamiento del procesador todavía es detectado pro el sensor y la tolerancia de 1 ℃ del mismo.

Figura 29. Calibración en exterior

A continuación, se muestran los datos tomados el 28 de noviembre del 2016 entre 2:00am y 3:30 comparados con los resultados de www.wheather.com (Figura 30). Note que la temperatura reportada por la estación metrológica en Downtown Phoenix [7] es de 8 ℃ a las 3am sin embargo la reportada por este sistema fue 8.6 ℃; observa que a las 3:28 am la temperatura fue de 8.017 ℃. También, se registra una humedad del 93% en Phoenix y el sistema registra una humedad del 100% lo cual es coherente el estado de la atmosfera en este momento. Por otro lado, no se detectaron precipitaciones ya que en South Phoenix no estaba lloviendo.

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Figura 30. Comparación resultados con www.weather.com

3.1.11 Validación del prototipo con el estándar ASAE EP505 APR2004.

En la hoja de datos del sensor, Bosh especifica los ajustes necesarios para el monitoreo del clima. En el cual se necesita una baja velocidad de datos. El consumo de energía es mínimo. Se controlan la humedad y temperatura. Se sugiere operar el sensor en modo forzado, con una muestra por minuto. También se siguiente que el sobre muestreo sea de 1, y los filtros IIR estén apagados. Con esto, se garantía un consumo de corriente de 0.16𝜇𝐴, un ruido RMS

de 3.3𝑃𝑎/30𝑐𝑚, 0.07% 𝑅𝐻 y una salida de datos de 1/60𝐻𝑧. Sin embargo, no se cita un

estándar que soporte estas recomendaciones. El cambio más importante para cumplir esta recomendación de cambiar el sobre muestreo de 8 a 1.

Tanto el estándar ASAE EP505 como la hoja de datos recomiendan un consumo mínimo de potencia. El cual como se expuso no se está cumplimento con el sistema embebido utilizado. Para solucionar esto, ASAE EP505 propone utilizar un micro procesador DC el cual se pueda alimentar con baterías por largos periodos de tiempo. Sin embargo, el dispositivo escogido permite leer las variables en los intervalos de tiempo recomendados. También, tiene interfaces de comunicación apropiadas para la transferencia de datos a medios de almacenamiento o equipo de telemetría. La telemetría utilizada por conexión por módem que es recomendada por el estándar. También, se usan paneles solares para controlar de la carga de las baterías con la regulación de voltaje apropiada.

Con respecto al sensor de temperatura, no se utilizaron RTD o termocuplas. Sin embargo, se aseguró que el sensor no estuviera directamente a la radiación, pero si tiene una apropiada circulación de aire con escudos solares blancos como es recomendado. Efectivamente, las unidades utilizadas son ºC, no se cumple el año que el sensor debe estar instalado a una altura del suelo entre 1.5m y 3m, pero si se cumple el intervalo de muestreo

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debe ser menor a 60 segundos, ya que se toman datos cada 30 segundos. Los valores reportados es la temperatura instantánea. El rango de operación del sensor es de -40ºC a 85ºC al igual que el procesador, sin embargo, el dispositivo de wifi tiene un rango de operación menor entre 0ºC a 70ºC, por lo cual no se cumple con esta especificación. La resolución es de 1𝑒=>L lo cual cumple con el requerimiento. Y la resolución digital de 1mV

𝑉=>, esto es una variable del sensor a la cual no se tiene acceso. La exactitud especificada

no se cumple porque la del sensor de ±1º𝐶 y la del campo de 1.48ºC.

Con respecto al sensor de humedad, las unidades utilizadas son %, el intervalo de muestreo fue de 30 segundos y los valores reportados cada a hora es la humedad instantánea. El rango de medición fue de 0% 100% RH con resolución mínima de 1𝑒=3%. La resolución

digital de 10mV, sin embargo, no se puede acceder a este parámetro. No se cumple con los requerimientos de exactitud ya que la hoja de datos especifica ±3% 𝑅𝐻 y la de campo ue fe exactitud de campo esperada de ±10% 𝑅𝐻.

Para la medición de lluvia, se utilizó un sensor de cubeta doble y se determina la precipitación de acuerdo al número de balanceos de la misma. Las unidades utilizadas son

𝑚𝑚 ℎ=>. El sistema el prototipo las unidades son 𝑚𝑚 que se registran cada día, entonces

no se cumple este requisito. El sensor está localizado a una altura del suelo menor a 10m, el intervalo de muestreo se determinó por el número de balanceos no por el tiempo entre los mismos, el intervalo de utilizado es de 30 segundos. El rango de medición debe estar entre 0 𝑎 200 𝑚𝑚 ℎ=>, la resolución debe ser mínimo 0.25 𝑚𝑚 ℎ=> y la exactitud de

campo esperada de −10% 𝑎 100 𝑚𝑚 ℎ=>. Para determinar el cumplimento de estas

variables se tiene que re diseñar el protocolo de calibración del pluviómetro.

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DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES

Se logró un sistema mecánico eléctrico en el cual se diseñó un pluviómetro que por medio de la cuantificación de pulsos de un interruptor de láminas se determina la precipitación. También se logró implementar el sistema de adquisición de datos de temperatura, presión y humedad con un sistema de ventilación diseñado para obtener las variables ambientales.

La principal contribución del prototipo fue el diseño electromecánico del pluviómetro. En el cuál se diseñaron todas las partes para ser impresas en 3D y se escogió el interruptor de láminas y el imán de neodimio de tal forma que cada vez que se produjera un balanceo; el procesador detecta que el interruptor se cierra. Sin embargo, se requiere una calibración del mismo en función del número de balanceos y la velocidad de la lluvia, para ser refinado.

Debido a que la generación de calor del sistema de procesamiento es alta, fue necesario alejar el sensor de este porque los datos reportados estaban sesgados a las condiciones del sistema y no a las condiciones de la atmosfera. Por esto, además de alejar el sensor, se diseñó un sistema de aeración; esto mejoró la exactitud del sistema. Sin embargo, para

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temperaturas bajas (menores de 10 ℃) el error con respecto a la referencia se incrementa debido a la fuente de calor antes mencionada.

El sistema embebido utilizado es conveniente debido a la cantidad de documentación disponible para interfaces complejas como el envío de datos a un servidor. Pero está sobredimensionado y esto limita la portabilidad del mismo. Debido a que el consumo de energía es alto, los elementos necesarios para alimentar el sistema son volumétricamente grandes debido a su capacidad. En general, por sus restricciones de potencia y el rango de temperatura, no se cumplen todos los requerimientos esperados de una estación meteorológica de acuerdo con el estándar ASAE EP505.

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AGRADECIMIENTOS

En primer lugar, agradezco a Dios, luego a mi familia, al ingeniero Philp Readio que fue mi tutor durante el diseño y desarrollo del prototipo, al profesor Johann F Osma y a todos los profesores del departamento de ingeniería electrónica por contribuir en mi formación profesional.

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REFERENCIAS

[1] Saini, H. Thakur, A. Ahuja S. “Arduino Based Automatic Wireless Weather Station with Remote Graphical Application and Alerts”. Feb 2016. doi:

10.1109/SPIN.2016.7566768

[2] Catelani, M. Ciani, L. Scotto, R & Zanobini, A. “Measurements and characterization of Air Temperature Sensors for whether stations”. IEEE Instrumentation and Measurement Technology

Confernce Proceeding (I2MTC). May 2016. doi: 10.1109/I2MTC.2016.7520372

[3] Digikey. Reed Switch Techonology. [online] Disponible en:

http://dkc1.digikey.com/US/en/TOD/Meder/ReedSwitchTechnology/ReedSwitchTechnology.html

[4] Flooding From Intense Rainfall. [online] Disponible en:

http://blogs.reading.ac.uk/flooding/2014/05/19/atmospheric-precursors-to-flash-floods/

[5] Adafruit BME280 Humidity + Barometric Pressure + Temperature Sensor Breakout . [online] Disponible en: https://learn.adafruit.com/adafruit-bme280-humidity-barometric-pressure-temperature-sensor-breakout

[6] Power Supply. Adafruit Industries. Disponible en: https://learn.adafruit.com/introducing-the-raspberry-pi-model-b-plus-plus-differences-vs-model-b/power-supply

[7] The weather cannel, Phoenix, AZ. Disponible en:

https://weather.com/weather/radar/interactive/l/USAZ0166:1:US?layer=radarConus&zoom=8&a nimation=true

[8] BOSCH Invented for life. BME280 Combined humidity and pressure sensor. Disponible en:

https://ae-bst.resource.bosch.com/media/_tech/media/datasheets/BST-BME280_DS001-11.pdf

[9] American Society of Agricultural and Biological Engineers.Measurement and Reporting Practices for Automatic Agricultural Weather Stations. ASEA EP505 APR2004. Disponible en:

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Referencias

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