“UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA”
FACULTAD DE CIENCIAS
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES
TESIS
“DISEÑO DE UNA RED DE UNIDADES (WSN) METEOROLÓGICAS PARA MONITOREO REMOTO DE SISTEMAS DE ENERGÍAS
RENOVABLES”
PRESENTADA POR:
MANUEL ANTONIO SOSA CALDERÓN JORGE ARTURO RAMÍREZ MONTERO
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO ELECTRÓNICO Y TELECOMUNICACIONES
LÍNEA DE INVESTIGACIÓN: INFORMÁTICA, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES SUB LÍNEA DE INVESTIGACIÓN: SISTEMAS DIGITALES
PIURA – PERÚ
2020
UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA FACULTAD DE CIENCIAS
ESCUELA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES
“DISEÑO DE UNA RED DE UNIDADES (WSN) METEOROLÓGICAS PARA MONITOREO REMOTO DE SISTEMAS DE ENERGÍAS RENOVABLES”
LÍNEA DE INVESTIGACIÓN: INFORMÁTICA, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES SUB LÍNEA DE INVESTIGACIÓN: SISTEMAS DIGITALES
_________________________________________________
Bach. MANUEL ANTONIO SOSA CALDERÓN EJECUTOR DE TESIS
_________________________________________________
Bach. JORGE ARTURO RAMÍREZ MONTERO EJECUTOR DE TESIS
_________________________________________
MSc. FRANKLIN BARRA ZAPATA ASESOR
DECLARACION JURADA DE AUTENTICIDAD DE TESIS
Yo, MANUEL ANTONIO SOSA CALDERÓN, identificado con DNI N° 76855265, bachiller de la Escuela Profesional de Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones de la Facultad de Ciencias de la Universidad Nacional de Piura con Domicilio Calle Manuel Rejón Nro. 111 AA.HH El Obrero – Sullana – Piura, con celular número 984067686, correo Electrónico [email protected] ante usted con el debido respeto me presento y expongo:
DECLARO BAJO JURAMENTO:
Que la tesis que presento es auténtica no siendo copia parcial y total de una tesis desarrollada y/o realizada en el Perú o el extranjero en caso contrario de encontrar falsa la información que proporciono me sujeto a los alcances de lo establecido en el art. N°411 del código penal concordante con el art. N° 27444, y ley del procedimiento administrativo general y las normas legales de protección a los derechos de autor.
En la Fe de lo cual firmo la presente
Piura 09 de Noviembre del 2020
______________________________________________
MANUEL ANTONIO SOSA CALDERÓN DNI: 76855265
DECLARACION JURADA DE AUTENTICIDAD DE TESIS
Yo, JORGE ARTURO RAMÍREZ MONTERO, identificado con DNI N° 72681797, bachiller de la Escuela Profesional de Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones de la Facultad de Ciencias de la Universidad Nacional de Piura con Domicilio Jirón Paita 127 Castilla - Piura con celular número 956804983, correo Electrónico [email protected] ante usted con el debido respeto me presento y expongo:
DECLARO BAJO JURAMENTO:
Que la tesis que presento es auténtica no siendo copia parcial y total de una tesis desarrollada y/o realizada en el Perú o el extranjero en caso contrario de encontrar falsa la información que proporciono me sujeto a los alcances de lo establecido en el art. N°411 del código penal concordante con el art. N° 27444, y ley del procedimiento administrativo general y las normas legales de protección a los derechos de autor.
En la Fe de lo cual firmo la presente
Piura 09 de Noviembre del 2020
______________________________________________
JORGE ARTURO RAMÍREZ MONTERO DNI: 72681797
UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA
FACULTAD DE CIENCIAS
ESCUELA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES
“DISEÑO DE UNA RED DE UNIDADES (WSN) METEOROLÓGICAS PARA MONITOREO REMOTO DE SISTEMAS DE ENERGÍAS RENOVABLES”
LÍNEA DE INVESTIGACIÓN: INFORMÁTICA, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES SUB LÍNEA DE INVESTIGACIÓN: SISTEMAS DIGITALES
JURADO EVALUADOR:
PRESIDENTE:
_________________________________________
DR. CARLOS ENRIQUE ARELLANO RAMIREZ
SECRETARIO:
____________________________________________
DR. ANTENOR SEGUNDO ALIAGA ZEGARRA
VOCAL:
____________________________________________
MS. AYAX MANUEL SIFUENTES MONTES
DEDICATORIA
A mis padres, Manuel Sosa y Mercedes Calderón, porque debido a sus enseñanzas y sacrificio soy un hombre de bien. Todo lo que tengo y lo que soy es gracias a ellos.
A mi hermana, Gabriela Sosa, que gracias a su compañerismo y amistad, pudo crear momentos divertidos y de felicidad en mi vida.
A mis tías, Rebeca, Teresa y Aura, las cuáles fueron de gran ayuda durante mi formación profesional.
MANUEL ANTONIO SOSA CALDERÓN
DEDICATORIA
La presente tesis, deseo dedicársela en primera instancia a mi familia, en especial a mis padres, que han sido el pilar fundamental en mi formación como profesional, por brindarme su confianza, consejos, oportunidad y recursos para lograrla.
A mis hermanas por su compañía y apoyo, asi como a mis tías por su cariño maternal, ayuda y aliento desde que tengo uso de razón.
Y por último a esos verdaderos amigos con quienes he compartido todos estos años de vivencias y de evolución.
JORGE ARTURO RAMÍREZ MONTERO
AGRADECIMIENTO
Esta tesis es el resultado de la constancia y sacrificio, del apoyo reunido de aquellas personas que decidieron aportar en éste logro con su experiencia, tiempo y conocimientos, ya que han desarrollado un papel importante en este material, empezando por mi asesor de tesis el Ing. Franklin Barra Zapata a quién agradezco por su apoyo incondicional, por el tiempo que dispuso para guiarme en mi proyecto
“DISEÑO DE UNA RED DE UNIDADES (WSN) METEOROLÓGICAS PARA MONITOREO REMOTO DE SISTEMAS DE ENERGíAS RENOVABLES” A la comisión de evaluación por sus críticas y comentarios constructivos y acertados durante la elaboración de éste proyecto, por la intervención oportuna para un mejor resultado del presente trabajo.
A cada persona que decidió apoyarme y que hizo posible en esta parte de mi vida, ayudarme a cumplir un objetivo más, a todos ellos muchas gracias.
MANUEL ANTONIO SOSA CALDERÓN
AGRADECIMIENTO
Agradezco a Dios por darme fuerza, sabiduría y perseverancia para cada acción de mi vida.
A mi asesor y catedráticos que han transmitido sus conocimientos de tal forma que he podido desarrollar las destrezas necesarias para la realización de este trabajo.
A mi casa de estudios La Universidad Nacional de Piura, a quien llevaré siempre en mi corazón y memorias.
JORGE ARTURO RAMÍREZ MONTERO
CONTENIDO
RESUMEN 21
ABSTRACT 22
CAPÍTULO 1 23
PLANTEAMIENTO METODOLÓGICO 23
1.1.INTRODUCCIÓN ... 23 1.2.DESCRIPCIÓN DE LA REALIDAD PROBLEMÁTICA... 24 1.3.FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ... 25
1.3.1. PROBLEMA GENERAL. 25
1.3.2. PROBLEMAS ESPECÍFICOS. 25
1.4. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN ... 25
1.4.1. OBJETIVO GENERAL 25
1.4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 25
1.5.HIPÓTESIS GENERAL ... 26 1.6. JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN ... 26 1.7.IMPORTANCIA DE LA INVESTIGACIÓN ... 27
CAPÍTULO 2 28
MARCO TEÓRICO 28
2.1 ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN ... 28 2.2. ESTACIÓN METEOROLÓGICA. ... 31
2.2.1. ¿PARA QUÉ SIRVE UNA ESTACIÓN METEOROLÓGICA? 32
2.2.2. TIPOS DE ESTACIONES METEOROLÓGICAS 33
2.2.2.1. ESTACIONES METEOROLÓGICAS DOMÉSTICAS. 33
2.2.2.2. ESTACIONES METEOROLÓGICAS CON CONEXIÓN A PC 34
2.2.2.3. ESTACIONES METEOROLÓGICAS WIFI 34
2.2.2.4. ESTACIONES METEOROLÓGICAS PORTÁTILES 35
2.2.2.5. ESTACIONES METEOROLÓGICAS PROFESIONALES PARA AFICIONADOS 36 2.2.2.6. ESTACIÓNES METEOROLÓGICAS PROFESIONALES AUTOMÁTICAS. 36
2.2.2.7. ESTACIONES METEOROLÓGICAS ANÁLOGICAS 37
2.2.3. ¿QUÉ INSTRUMENTOS TIENE UNA ESTACIÓN METEOROLÓGICA? 38
2.3. ENERGÍA RENOVABLE ... 45
2.3.1. ENERGÍA EÓLICA - EL VIENTO COMO RECURSO PARA LA PRODUCCIÓN DE
ELECTRICIDAD 46
2.3.2. ENERGÍA SOLAR 47
2.4. NODEMCU EL KIT DE DESARROLLO PARA EL IOT ... 50
2.4.1. MCU O MICROCONTROLADOR DE NODEMCU 51 2.4.2. SOC ESP8266 52 2.4.3. MÓDULO ESP-12 DE NODEMCU 53 2.4.4. KIT O PLACA DE DESARROLLO NODEMCU 56 2.4.5. VERSIONES DE NODEMCU 57 2.4.6. COMPARANDO LAS DIFERENTES VERSIONES DE NODEMCU 59 2.4.6.1. 1ª GENERACIÓN / V0.9 / V1 59 2.4.6.2. 2ª GENERACIÓN / V1.0 / V2 60 2.4.6.3. 2ª GENERACIÓN / V1.0 / V3 61 2.4.7. ACCESO A LOS PINES DE NODEMCU V2 61 2.4.8. PINES DE NODEMCU 63 2.4.8.1. PINES DIGITALES DE NODEMCU 64 2.4.8.2. PINES DIGITALES ÚTILES DE NODEMCU 65 2.4.8.3. PIN ANALÓGICO DE NODEMCU 66 2.4.8.5. LEDS Y PULSADORES DE NODEMCU 67 2.4.8.6. LEDS INTEGRADOS DENTRO DE LA PLACA 68 2.4.8.7. PULSADORES INTEGRADOS DENTRO DE LA PLACA 69 2.5. LA RASPBERRY PI 3 ... 76
2.5.1 PRESENTACIÓN 76 2.5.2.2. VISTA INFERIOR 77 2.5.3. EL SOC DE LA RASPBERRY PI 3 77 2.5.3.1. LA CPU DE LA RASPBERRY PI 3 78 2.5.3.2. LA GPU DE LA RASPBERRY PI 3 78 2.5.4. LOS PUERTOS USB Y ETHERNET DE LA RASPBERRY PI 3 80 2.5.5. EL WI-FI Y EL BLUETOOTH DE LA RASPBERRY PI 3 82 2.6. SERVIDOR WEB COMPONENTES LAMP ... 84
2.6.1. SERVIDOR HTTP APACHE 85 2.6.2. PHP 87 2.6.3. MY SQL 87 2.6.4. PHPMYADMIN 89 CAPÍTULO 3 90 MARCO METODOLÓGICO 90 3.1.ENFOQUE. Y DISEÑO ... 90
DISEÑO. ... 90
NIVEL. ... 90
TIPO. ... 90
3.2.SUJETOS DE LA INVESTIGACIÓN. ... 90
3.3.MÉTODOS Y PROCEDIMIENTOS. ... 90
3.4.TÉCNICAS E INSTRUMENTOS. ... 91
3.5.ASPECTOS ÉTICOS ... 91
CAPÍTULO 4 92 RESULTADOS Y DISCUSIÓN 92 4.1 DISEÑO DE UNA RED DE UNIDADES (WSN) METEOROLÓGICAS PARA MONITOREO REMOTO DE SISTEMAS DE ENERGÍAS RENOVABLES ... 92
4.2. HARDWARE DE LAS UNIDADES METEOROLÓGICAS INALÁMBRICAS PARA MEDICIÓN DE VARIABLES ... 94
4.2.1. FUENTE DE ALIMENTACIÓN 12VDC - 5VDC 95 4.2.2. MEDICIÓN DE TEMPERATURA Y HUMEDAD 96 4.2.3. MEDICIÓN DE PRESIÓN ATMOSFÉRICA E IRRADIANCIA 98 4.2.3.1. MEDICIÓN DE PRESIÓN ATMOSFÉRICA 98 4.2.3.2. MEDICIÓN DE IRRADIANCIA 99 4.2.4. MEDICIÓN DE LA VELOCIDAD DEL VIENTO 101 4.2.5. CONTADOR ELÉCTRICO PARA MEDICIÓN DE ENERGÍA EN KWh 102 4.2.6. MEDICIÓN DE CORRIENTE ALTERNA 104 4.2.7. SERVIDOR DE BASE DE DATOS CON RASPBERRY PI 3 106 4.3. CONFIGURACIÓN DEL RASPBERRY PI 3 COMO SERVIDOR WEB Y BASE DE DATOS ...106
4.3.1. INSTALAR LAMP EN LA RASPBERRY PI 3 106 4.3.1.1. INSTALAR APACHE 108 4.3.1.2. INSTALAR PHP 110 4.3.1.3. INSTALAR MySQL 111 4.3.1.4. INSTALAR PHPmyAdmin 111 4.4. PROGRAMACION DEL NODEMCU ...112
4.5. CREACION CONFIGURACIÓN DE BASE DATOS USANDO PHPMYAADMIN ...115
4.5.1. CÓDIGO PHP PARA CONEXIÓN DEL NODEMCU CON BASE DATOS EN RASPBERRY PI 117 4.5.2 PRUEBA DE CONEXIÓN Y ALMACENAMIENTO EN BASE DE DATOS 118 4.5.3 PRUEBA DE CONEXIÓN Y GRÁFICAS DE DATOS ALAMCENADOS 119 4.6. VISUALIZAR DATOS EN PÁGINA WEB ...120
4.6.1. PRUEBA DE VISUALIZACION DE DATOS EN PÁGINA WEB 120
4.6.2. PRUEBA DE GRÁFICA DE DATOS EN PÁGINA WEB 121
CONCLUSIONES 126
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 128
ANEXOS 130
ANEXO 1. CÓDIGO DE PÁGINA WEB (INDEX.HTML) 130 ANEXO 2. CÓDIGO DE PÁGINA PHP (TABLANODO5.PHP) 132 ANEXO 3. CÓDIGO DE PÁGINA PHP (TABLANODO6.PHP) 133 ANEXO 4. CÓDIGO DE PÁGINA PHP (GRÁFICANODO5.PHP) 134 ANEXO 5. CÓDIGO DE PÁGINA PHP (GRÁFICANODO14.PHP) 136
ANEXO 6. CÓDIGO DE NODEMCU 138
ANEXO 7. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL RASPBERRY PI 3 141 ANEXO 8. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL NODEMCU 147 ANEXO 9. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DEL SENSOR DE HUMEDAD
154
FIGURAS
FIGURA 1. ESTACIÓN METEOROLÓGICA (METEOCULTURA, 2019) ... 31
FIGURA 2. JARDÍN METEOROLOGICO (METEOCULTURA, 2019) ... 32
FIGURA 3. JARDÍNES METEOROLÓGICOS PROFESIONALES ATENDIDOS. (METEOCULTURA, 2019) ... 37
FIGURA 4. UN EJEMPLO DE ESTACIÓN METEOROLÓGICA ANALÓGICA (METEOCULTURA, 2019) ... 38
FIGURA 5. TERMÓMETROS DE ESTACIÓN METEOROLÓGICA (METEOCULTURA, 2019) 39 FIGURA 6. HIGRÓMETRO O PSICÓMETRO (METEOCULTURA, 2019) ... 40
FIGURA 7. PLUVIÓMETRO (METEOCULTURA, 2019) ... 40
FIGURA 8. ANEMÓMETRO. (METEOCULTURA, 2019) ... 41
FIGURA 9. VELETA (METEOCULTURA, 2019) ... 41
FIGURA 10. BARÓMETRO. (METEOCULTURA, 2019) ... 42
FIGURA 11. TERMÓMETROS DE SUBSUELO (METEOCULTURA, 2019) ... 42
FIGURA 12. TERMÓGRAFO. (METEOCULTURA, 2019) ... 43
FIGURA 13. PIRANÓMETRO O SENSOR DE INSOLACIÓN (METEOCULTURA, 2019) ... 43
FIGURA 14. HELIÓGRAFO (METEOCULTURA, 2019) ... 44
FIGURA 15. NEFOBASÍMETRO O CIELÓMETRO (METEOCULTURA, 2019) ... 44
FIGURA 16. GIRASOL: EL GIRASOL, ÍCONO DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES POR SU ENORME APROVECHAMIENTO DE LA LUZ SOLAR, SU USO PARA FABRICAR BIODIESEL Y SU "PARECIDO" CON EL SOL. ... 45
FIGURA 17. PRINCIPALES ENERGÍAS RENOVABLES Y NO RENOVABLES: A) HIDRÁULICA; B) TÉRMICA; C) NUCLEAR; D) EÓLICA; E) SOLAR TÉRMICA; F) SOLAR FOTOVOLTAICA; G) BIOMASA; (METEOCULTURA, 2019) ... 46
FIGURA 18. A). INSTALACIONES AISLADAS B). INSTALACIONES CONECTADAS A LA RED ELÉCTRICA (METEOCULTURA, 2019) ... 49
FIGURA 19. ESQUEMA GENERAL DEL KIT NODEMCU (HTTPS://PROGRAMARFACIL.COM/PODCAST/NODEMCU-TUTORIAL-PASO-A-PASO/, 2018)... 50
FIGURA 20. KIT ARDUINO UNO, NODEMCU, ARDUINO MKR1000 (HTTPS://PROGRAMARFACIL.COM/PODCAST/NODEMCU-TUTORIAL-PASO-A-PASO/, 2018)... 51
FIGURA 21. DIGRAMA DE BLOQUES DEL ESP8266EX- SEÑALANDO EL MICROCONTROLADOR (HTTPS://PROGRAMARFACIL.COM/PODCAST/NODEMCU- TUTORIAL-PASO-A-PASO/, 2018)... 52
FIGURA 22. SOC ESP8266EX (HTTPS://PROGRAMARFACIL.COM/PODCAST/NODEMCU- TUTORIAL-PASO-A-PASO/, 2018)... 52
FIGURA 23. DIAGRAMA DE BLOQUES ESP8266EX (HTTPS://PROGRAMARFACIL.COM/PODCAST/NODEMCU-TUTORIAL-PASO-A-PASO/, 2018)... 53
FIGURA 24. MÓDULO ESP-12E (HTTPS://PROGRAMARFACIL.COM/PODCAST/NODEMCU- TUTORIAL-PASO-A-PASO/, 2018)... 54
FIGURA 25. PINES DEL MÓDULO ESP-12 (HTTPS://PROGRAMARFACIL.COM/PODCAST/NODEMCU-TUTORIAL-PASO-A-PASO/, 2018)... 54
FIGURA 26. PINES DEL MÓDULO ESP-12E (HTTPS://PROGRAMARFACIL.COM/PODCAST/NODEMCU-TUTORIAL-PASO-A-PASO/, 2018)... 55
FIGURA 27. MÓDULOS BASADOS EN EL SOC ESP8266
(HTTPS://PROGRAMARFACIL.COM/PODCAST/NODEMCU-TUTORIAL-PASO-A-PASO/, 2018)... 55 FIGURA 28. KIT NODEMCU (HTTPS://PROGRAMARFACIL.COM/PODCAST/NODEMCU-
TUTORIAL-PASO-A-PASO/, 2018)... 57 FIGURA 29. VERSIONES DEL NODEMCU
(HTTPS://PROGRAMARFACIL.COM/PODCAST/NODEMCU-TUTORIAL-PASO-A-PASO/, 2018)... 58 FIGURA 30. MÓDULO ESP12E (HTTPS://PROGRAMARFACIL.COM/PODCAST/NODEMCU-
TUTORIAL-PASO-A-PASO/, 2018)... 59 FIGURA 31. NODEMCU V0.9/ V1
(HTTPS://PROGRAMARFACIL.COM/PODCAST/NODEMCU-TUTORIAL-PASO-A-PASO/, 2018)... 59 FIGURA 32. NODEMCU V1.0/V2.0
(HTTPS://PROGRAMARFACIL.COM/PODCAST/NODEMCU-TUTORIAL-PASO-A-PASO/, 2018)... 60 FIGURA 33. NODEMCU V1.0/V2.0 INSERTADO EN PROTOBOARD
(HTTPS://PROGRAMARFACIL.COM/PODCAST/NODEMCU-TUTORIAL-PASO-A-PASO/, 2018)... 60 FIGURA 34. NODEMCU V1.0/V3.0
(HTTPS://PROGRAMARFACIL.COM/PODCAST/NODEMCU-TUTORIAL-PASO-A-PASO/, 2018)... 61 FIGURA 35. PINES DEL NODE MCU V2.0
(HTTPS://PROGRAMARFACIL.COM/PODCAST/NODEMCU-TUTORIAL-PASO-A-PASO/, 2018)... 62 FIGURA 36. PINES DEL NODE MCU V2.0
(HTTPS://PROGRAMARFACIL.COM/PODCAST/NODEMCU-TUTORIAL-PASO-A-PASO/, 2018)... 62 FIGURA 37. REFERENCIA DEL DIAGRAMA DEL NODE MCU V2.0
(HTTPS://PROGRAMARFACIL.COM/PODCAST/NODEMCU-TUTORIAL-PASO-A-PASO/, 2018)... 63 FIGURA 38. CONECION DEL NODE MCU CON PROTOBOARD
(HTTPS://PROGRAMARFACIL.COM/PODCAST/NODEMCU-TUTORIAL-PASO-A-PASO/, 2018)... 63 FIGURA 39. PINES DIGITALES DEL NODEMCU
(HTTPS://PROGRAMARFACIL.COM/PODCAST/NODEMCU-TUTORIAL-PASO-A-PASO/, 2018)... 64 FIGURA 40. NOMENCLATURA DE LOS PINES DIGITALES DEL MCU
(HTTPS://PROGRAMARFACIL.COM/PODCAST/NODEMCU-TUTORIAL-PASO-A-PASO/, 2018)... 64 FIGURA 41. PINES UTILES DEL NODE MCU
(HTTPS://PROGRAMARFACIL.COM/PODCAST/NODEMCU-TUTORIAL-PASO-A-PASO/, 2018)... 65 FIGURA 42. PIN ANALOGICO DEL NODEMCU
(HTTPS://PROGRAMARFACIL.COM/PODCAST/NODEMCU-TUTORIAL-PASO-A-PASO/, 2018)... 66 FIGURA 43. PINES DE ALIMENTACION DEL NODEMCU
(HTTPS://PROGRAMARFACIL.COM/PODCAST/NODEMCU-TUTORIAL-PASO-A-PASO/, 2018)... 67
FIGURA 44. LED Y PULSADORES DEL NODEMCU
(HTTPS://PROGRAMARFACIL.COM/PODCAST/NODEMCU-TUTORIAL-PASO-A-PASO/,
2018)... 68
FIGURA 45. LED INTEGRADOS EN EL NODEMCU (HTTPS://PROGRAMARFACIL.COM/PODCAST/NODEMCU-TUTORIAL-PASO-A-PASO/, 2018)... 68
FIGURA 46. LED DEL PIN TX/RX DEL NODEMCU (HTTPS://PROGRAMARFACIL.COM/PODCAST/NODEMCU-TUTORIAL-PASO-A-PASO/, 2018)... 69
FIGURA 47. PULSADORES INTEGRADOS EN LA PLACA NODEMCU (HTTPS://PROGRAMARFACIL.COM/PODCAST/NODEMCU-TUTORIAL-PASO-A-PASO/, 2018)... 69
FIGURA 48. NODEMCU CONECTADO CON LA PC (HTTPS://PROGRAMARFACIL.COM/PODCAST/NODEMCU-TUTORIAL-PASO-A-PASO/, 2018)... 71
FIGURA 49. ARDUINO IDE (HTTPS://PROGRAMARFACIL.COM/PODCAST/NODEMCU- TUTORIAL-PASO-A-PASO/, 2018)... 72
FIGURA 50. ARDUINO IDE MENU PREFERENCIAS (HTTPS://PROGRAMARFACIL.COM/PODCAST/NODEMCU-TUTORIAL-PASO-A-PASO/, 2018)... 73
FIGURA 51. ARDUINO IDE MENU HERRAMIENTAS (HTTPS://PROGRAMARFACIL.COM/PODCAST/NODEMCU-TUTORIAL-PASO-A-PASO/, 2018)... 74
FIGURA 52. BOARD MANAGER (HTTPS://PROGRAMARFACIL.COM/PODCAST/NODEMCU- TUTORIAL-PASO-A-PASO/, 2018)... 74
FIGURA 53. SELECCIÓN DE PLACA NODEMCU PARA PROGRAMACION (HTTPS://PROGRAMARFACIL.COM/PODCAST/NODEMCU-TUTORIAL-PASO-A-PASO/, 2018)... 75
FIGURA 54. RASPBERRY PI 3 B (HALFACREE, 2018) ... 76
FIGURA 55 . RASPBERRY PI 3 B VISTA DESDE ARRIBA (HALFACREE, 2018) ... 76
FIGURA 56. RASPBERRY PI 3 B VISTA INFERIOR (HALFACREE, 2018) ... 77
FIGURA 57. SOC BCM2837 (HALFACREE, 2018) ... 77
FIGURA 58 . GPU DE LA RASPBERRY PI 3 (HALFACREE, 2018) ... 78
FIGURA 59. IMAGEN BITMAN E IMAGEN POR VECTORES (HALFACREE, 2018) ... 79
FIGURA 60. PUERTOS USB Y ETHERNET DEL RASPBERRY PI 3 (HALFACREE, 2018) ... 80
FIGURA 61. PUERTOS USB Y ETHERNET DEL RASPBERRY PI 3- VISTA SUPERIOR (HALFACREE, 2018) ... 81
FIGURA 62. PUERTOS USB Y ETHERNET DEL RASPBERRY PI 3 – VISTA LATERAL (HALFACREE, 2018) ... 81
FIGURA 63. BCM43438 WIFI Y BLUETOOTH DEL RASPBERRY PI 3 (HALFACREE, 2018).. 82
FIGURA 64. ANTENA CERAMICA DEL WIFI Y BLUETOOTH DEL RASPBERRY PI 3. (HALFACREE, 2018) ... 83
FIGURA 65. CIRCUITO WIFI Y BLUETOOTH DEL RASPBERRY PI 3. (HALFACREE, 2018) . 83 FIGURA 66. COMPONENTES LAMP DE SERVIDOR WEB (HTTPS://ES.WIKIPEDIA.ORG/WIKI/LAMP, 2019) ... 85
FIGURA 67. LOGO DEL SERVIDOR APACHE (HTTPS://ES.WIKIPEDIA.ORG/WIKI/SERVIDOR_HTTP_APACHE, 2019) ... 86
FIGURA 68. LOGO DEL LENGUAJE DE PROGRAMACION PHP (HTTPS://ES.WIKIPEDIA.ORG/WIKI/PHP, 2019) ... 87
FIGURA 69. LOGO DE MY SQL (HTTPS://ES.WIKIPEDIA.ORG/WIKI/MYSQL, 2019) ... 88
FIGURA 70. LOGO PHPMYADMIN (HTTPS://EN.WIKIPEDIA.ORG/WIKI/PHPMYADMIN, 2019)
... 89
FIGURA 71. DIAGRAMA GENERAL DE UNA RED DE UNIDADES METEREOLOGICAS PARA MONITOREO REMOTO DE SISTEMAS DE ENERGÍAS RENOVABLES (PROPIO) ... 93
FIGURA 72 DIAGRAMA DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA PROPUESTO (PROPIO) ... 94
FIGURA 73. CIRCUITO DE LA UNIDAD METEOROLÓGICA CON NODEMCU PARA 7 VARIABLES. (PROPIO) ... 95
FIGURA 74. FUENTE DE ALIMENTACION PARA UNIDADES METEOROLÓGICAS. (PROPIO) ... 95
FIGURA 75. REPERCUSIÓN DE LA TEMPERATURA SOBRE LA TENSIÓN DE SALIDA DEL MÓDULO FOTOVOLTAICO (HTTPS://WWW.ENERGÍAS- RENOVABLES.COM/FOTOVOLTAICA/LOS-EFECTOS-DE-LA-TEMPERATURA-EN-LA- 20150713) ... 96
FIGURA 76. SENSOR DHT22 ... 97
FIGURA 77. CIRCUITO DE CONEXIÓN DE SENSOR DE TEMPERATURA Y HUMEDAD DHT11/DHT22 (PROPIO) ... 97
FIGURA 78 SENSOR DE PRESIÓN ATMOSFÉRICA BME280 ... 98
FIGURA 79. SENSOR TSL2561 ... 100
FIGURA 80. FORMULA EMPIRICA PARA OBTENER LA ILUMINANCIA ... 100
FIGURA 81. LONGITUD DE ONDA A LO QUE ES SENSIBLE EL SENSOR TSL2561 ... 100
FIGURA 82. CONEXIÓN PARA LEER SENSOR DE PRESIÓN ATMOSFÉRICA E IRRADIANCIA (PROPIO) ... 101
FIGURA 83. ANEMOMETRO DE CAZOLETAS MODELO WAA151... 102
FIGURA 84: CIRCUITO DE CONEXÓN DEL ANEMOMETRO ... 102
FIGURA 85. MEDIDOR DE POTENCIA KWH MODELO DDS548C HOUSEHOLD ELECTRIC 1600 PULSOS POR KWH ... 103
FIGURA 86. FOTORESISTOR ... 103
FIGURA 87. CONEXION DEL FOTORESISTOR CON NODEMCU (PROPIO) ... 104
FIGURA 88. SENSOR DE CORRIENTE ALTERNA SCT013 (30A/1V) ... 105
FIGURA 89. CONEXION DEL SENSOR DE CORRIENTE ALTERNA CON EL NODEMCU (PROPIO) ... 105
FIGURA 90. CONEXIÓN ELECTRICA DEL SERVIDOR WEB RASPBERRY PI (PROPIO) ... 106
FIGURA 91. LAMP COMPONENTES PARA SERVIDOR WEB (PROPIO) ... 107
FIGURA 92. PROCEDIMIENTOS DE UN SERVIDOR WEB (PROPIO) ... 107
FIGURA 93. SOFTWARE NECESARIO PARA SERVIDOR WEB Y DE BASE DE DATOS (PROPIO) ... 108
FIGURA 94.PANTALLA AL INGRESAR EL IP DE LA RASPBERRY DESPUES DE INSTALAR APACHE. (PROPIO) ... 109
FIGURA 95. PANTALLA AL INGRESAR 192.168.8.201/INFO.PHP DESPUES DE INSTALAR PHP. (PROPIO) ... 110
FIGURA 96. PANTALLA AL INGRESAR 192.168.8.201/ PHPMYADMIN DESPUES DE INSTALAR PHPMYADMIN. (PROPIO) ... 112
FIGURA 97. DECLARACION DE LIBRERIAS QUE UTILIZARA EL CÓDIGO DE PROGRAMA (PROPIO) ... 112
FIGURA 98. DATOS DEL ROUTER WIFI, SSID Y PASSWORD (PROPIO) ... 112
FIGURA 99. FUNCIONES PARA CONTAR PULSOS Y DETERMINAR FRECUENCIA ... 113
FIGURA 100. CONFIGURACIÓN INICIAL DEL NODEMCU, CONEXION CON ROUTER (PROPIO) ... 113
FIGURA 101. LECTURA DE SENSORES (PROPIO) ... 114
FIGURA 102. ENVIO DE DATOS DE SENSORES POR TCP USANDO EL METODO GET (PROPIO) ... 115 FIGURA 103. INGRESO A LA BASE DE DATOS CON HTTP://192.168.8.201/PHPMYADMIN
(PROPIO)) ... 115 FIGURA 104. BASE DE DATOS "SENSORES" Y TABLAS CREADAS (PROPIO) ... 116 FIGURA 105. ESTRUCTURA DE LAS TABLAS CREADAS (PROPIO)... 116 FIGURA 106. CÓDIGO PHP PARA CONEXION CON BASE DE DATOS PARA ENVIO DE
DATOS DE SENSORES (PROPIO) ... 117 FIGURA 107. CONFIGURACIÓN PARA CONEXION CON BASE DE DATOS (PROPIO) ... 117 FIGURA 108. DATOS GUARDADOS EN LA BASE DE DATOS SENSORES TABLA
VALORES5 – NODO 1 (PROPIO) ... 118 FIGURA 109. DATOS GUARDADOS EN LA BASE DE DATOS SENORES TABLA VALORES6 - NODO 2 (PROPIO) ... 118 FIGURA 110. DATOS GRAICADOS DE LA BASE DE DATOS SENSORES TABLA VALORES5 - ESTACIÓN 1 (PROPIO)... 119 FIGURA 111. DATOS GRAICADOS DE LA BASE DE DATOS SENSORES TABLA VALORES6 – ESTACIÓN 2 (PROPIO) ... 119 FIGURA 112. INTERFAZ DE ACCESO A BASE DE DATOS (PROPIO) ... 120 FIGURA 113. VISUALIZACION DE DATOS DE SENSORES DE LA ESTACIÓN 1 (PROPIO)
... 120 FIGURA 114. VISUALIZACION DE DATOS DE SENSORES DE LA ESTACIÓN 2 (PROPIO)
... 121 FIGURA 115. VISUALIZACION DE GRÁFICA DE DATOS DE TEMPERATURA DE ESTACIÓN
1 (PROPIO) ... 121 FIGURA 116. VISUALIZACION DE GRÁFICA DE DATOS DE TEMPERATURA DE
ESTACIÓN 2 (PROPIO) ... 122 FIGURA 117. VISUALIZACION DE GRÁFICA DE DATOS DE HUMEDAD DE ESTACIÓN 1
(PROPIO) ... 122 FIGURA 118. VISUALIZACION DE GRÁFICA DE DATOS DE HUMEDAD DE ESTACIÓN 2
(PROPIO) ... 122 FIGURA 119. VISUALIZACION DE GRÁFICA DE DATOS DE CORRIENTE DE ESTACIÓN 1 (PROPIO) ... 123 FIGURA 120. VISUALIZACION DE GRÁFICA DE DATOS DE CORRIENTE DE ESTACIÓN 2 (PROPIO) ... 123 FIGURA 121. VISUALIZACION DE GRÁFICA DE DATOS DE IRRADIACION DE ESTACIÓN
1 (PROPIO) ... 123 FIGURA 122. VISUALIZACION DE GRÁFICA DE DATOS DE IRRADIACION DE ESTACIÓN
2 (PROPIO) ... 124 FIGURA 123. VISUALIZACION DE GRÁFICA DE DATOS DE VELOCIDAD DEL VIENTO DE
ESTACIÓN 1 (PROPIO) ... 124 FIGURA 124. VISUALIZACION DE GRÁFICA DE DATOS DE VELOCIDAD DEL VIENTO DE
ESTACIÓN 2 (PROPIO) ... 124 FIGURA 125. VISUALIZACION DE GRÁFICA DE DATOS DE CONSUMO DE POTENCIA DE ESTACIÓN 1 (PROPIO) ... 125 FIGURA 126. VISUALIZACION DE GRÁFICA DE DATOS DE CONSUMO DE POTENCIA DE ESTACIÓN 2 (PROPIO) ... 125
TABLAS
TABLA 1. VERSIONES DEL NODE MCU
(HTTPS://PROGRAMARFACIL.COM/PODCAST/NODEMCU-TUTORIAL-PASO-A-PASO/,
2018) 58
TABLA 2. CARACTERISTICAS DEL SENSOR DHT11/DHT22 97
RESUMEN
Se denomina energía renovable a la energía que se obtiene de fuentes naturales virtualmente inagotables, ya sea por la inmensa cantidad de energía que contienen, o porque son capaces de regenerarse por medios naturales.
La red de sensores inalámbricos está formada por numerosos dispositivos distribuidos espacialmente, que utilizan sensores para controlar diversas condiciones en distintos puntos, entre ellas la temperatura, Humedad, presión etc.
En esta tesis se pretende implementar una red de dispositivos inalámbricos en estaciones meteorológicas para monitoreo remoto de sistemas de energías renovables usando hardware y software libre que permita subir los datos a la nube usando plataformas disponibles en la internet y que sea económicamente accesible. Las variables que medirán las unidades inalámbricas meteorológicas para monitoreo remoto de sistemas de Energías Renovables serán:
Temperatura, Humedad, Presión atmosférica, Velocidad del viento, Irradiancia, Impulsos ópticos de contador eléctrico y Corriente alterna.
En el primer capítulo se describe la problemática y se establece el objetivo general y los objetivos específicos de la tesis, así como la justificación, los alcances y los límites de la misma. El segundo capítulo hace referencia al marco teórico y las definiciones que nos permiten entender desde la base, la aplicación desarrollada. En el tercer capítulo se muestra el Marco Metodológico, en el cuarto capítulo se muestra el desarrollo del sistema paso a paso tanto en el diseño del hardware como del software para el NODEMCU, PHP para el RASPBERRY PI, Conexión con la base de datos MYSQL, como guardar los datos de los sensores de cada NODEMCU, desarrollo de una página WEB en HTML y PHP, para mostrar los datos y gráficas de los diferentes valores almacenados en las tablas de la base de datos, al final se muestra las conclusiones.
PALABRAS CLAVE: ESTACIÓN, TEMPERATURA, HUMEDAD, PRESIÓN, IRRADIANCIA, CORRIENTE, POTENCIA, VELOCIDAD, VIENTO, WEB, LAMP, RASPBERRY PI, NODEMCU, MYSQL, PHP MY ADMIN.
ABSTRACT
Renewable energy is called energy that is obtained from virtually inexhaustible natural sources, either because of the immense amount of energy they contain, or because they are capable of regenerating by natural means.
The wireless sensor network consists of numerous spatially distributed devices, which use sensors to control various conditions at different points, including temperature, humidity, pressure etc.
This thesis aims to implement wireless device network in meteorological stations for remote monitoring of renewable energy systems using free hardware and software that allows data to be uploaded to the cloud using platforms available on the internet and that is economically accessible. The variables that will measure the meteorological wireless units for remote monitoring of Renewable Energy systems will be: Temperature, Humidity, Atmospheric Pressure, Wind Speed, Irradiance, Optical impulses of electric meter and Alternating Current.
The first chapter describes the problem and establishes the general objective and specific objectives of the thesis, as well as the justification, scope and limits of the thesis. The second chapter refers to the theoretical framework and the definitions that allow us to understand from the base the developed application.
The third chapter shows the Methodological Framework, the fourth chapter shows the development of the system step by step in both the design of the hardware and the software for the NODEMCU, PHP for the RASPBERRY PI, Connection with the MYSQL database, how to save the data of the sensors of each NODEMCU, development of a web page in HTML and PHP, to show the data and graphs of the different values stored in the tables of the database, at the end the conclusions are shown.
KEY WORDS: STATION, TEMPERATURE, MOISTURE, PRESSURE, IRRADIANCE, HOT, POWER, SPEED, WIND, WEB, LAMP, RASPBERRY PI, NODEMCU, MYSQL, PHP MY ADMIN.
CAPÍTULO 1
PLANTEAMIENTO METODOLÓGICO
1.1. INTRODUCCIÓN
Se denomina energía renovable a la energía que se obtiene de fuentes naturales virtualmente inagotables, ya sea por la inmensa cantidad de energía que contienen, o porque son capaces de regenerarse por medios naturales.
Los recursos de energía renovable, son de fácil acceso, se reaprovisionan constantemente y no afectan negativamente el medio ambiente ni la vida. Por el contrario, la energía del petróleo, carbón y gas natural, proviene de recursos combustibles fósiles no renovables, finitos. El acceso a recursos fósiles para obtener energía no renovable es difícil y costoso. Además, el uso de combustibles fósiles ocasiona daño al medioambiente y a la vida.
La red de sensores inalámbricos está formada por numerosos dispositivos distribuidos espacialmente, que utilizan sensores para controlar diversas condiciones en distintos puntos, entre ellas la temperatura, el sonido, la vibración, la presión y movimiento o los contaminantes.
Los dispositivos son unidades autónomas que constan de un microcontrolador, una fuente de Energía (casi siempre una batería), un radio-transceptor (RF) y un elemento sensor.
En esta tesis se pretende implementar una red de dispositivos inalámbricos en estaciones meteorológicas para monitoreo remoto de sistemas de energía renovables usando hardware y software libre que permita subir los datos a la nube usando plataformas disponibles en la internet y que sea económicamente accesible. Las variables que medirán las unidades inalambricas meteorológicas para monitoreo remoto de sistemas de energías Renovables serán:
Temperatura, Humedad, Presión atmosférica, Velocidad del viento, Irradiancia, Impulsos ópticos de contador eléctrico y Corriente alterna
1.2. DESCRIPCIÓN DE LA REALIDAD PROBLEMÁTICA
Gracias a los avances del conocido como internet de las cosas (IoT), cada vez resulta más sencillo encontrar en el mercado equipos industriales que sean capaces de enviar en tiempo real y a cualquier dispositivo remoto, los datos registrados. Sin embargo, estos equipos, tienen un elevado costo que impide que puedan ser utilizados con normalidad por consumidores domésticos o pequeñas empresas que quieran realizar un correcto análisis energético de sus instalaciones.
El presente proyecto tiene como objetivos desarrollar un equipo viable, fiable y de bajo costo, destinado a la monitorización de variables energéticas, como son Temperatura, Humedad, Presión atmosférica, Velocidad del viento, Irradiancia, Impulsos ópticos de contador eléctrico y Corriente alterna. Para alcanzar tal objetivo, se usarán sistemas (tanto de software como de hardware) de código abierto.
Utilizando un ordenador de placa simple del tipo Raspberry Pi, y Tarjetas NODEMCU ESP12E se creará un equipo autónomo para la recogida de datos energéticos, desde el consumo de electricidad hasta las variables ambientales.
Ya sea en localizaciones aisladas o estaciónes Meteorológicas formando una Red, los datos serán guardados en el propio equipo, mientras que, si existe una conexión de red los datos serán enviados automáticamente a un servidor o plataforma externa como THINGSPEAK y podrán ser consultados en tiempo real desde cualquier equipo remoto.
La problemática del trabajo que se propone radica en la necesidad de implementar una red de dispositivos inalámbricos en estaciones meteorológicas para monitoreo remoto de sistemas de energía renovables usando hardware y software libre que sea económicamente accesible para el mercado Peruano y Latino Americano.
1.3. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA 1.3.1. PROBLEMA GENERAL.
¿Es posible diseñar e implementar una red de unidades (WSN) meteorológicas para monitoreo remoto de sistemas de energías renovables usando hardware y software libre que sea económicamente accesible para el mercado Peruano y Latino Americano?
1.3.2. PROBLEMAS ESPECÍFICOS.
¿Se podrá aplicar la WSN para monitoreo de sistemas remotos de energías renovables en la ciudad de Piura?
¿Se podrá utilizar una plataforma en la nube para el monitoreo de sistemas remotos de energías renovables?
¿Se podrá implementar el sistema de monitoreo remoto de sistemas de energías renovables, donde se monitorea las variables temperatura, Humedad, Presión atmosférica, Velocidad del viento, Irradiancia, Impulsos ópticos de contador eléctrico y Corriente alterna a bajo costo para el mercado peruano?
1.4. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN 1.4.1. OBJETIVO GENERAL
Diseñar e implementar una red de unidades (WSN) meteorológicas para monitoreo remoto de sistemas de energías renovables usando hardware y software libre que sea económicamente accesible para el mercado Peruano y Latino Americano.
1.4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Diseñar la arquitectura de la red de dispositivos
Diseñar un dispositivo con el NODEMCUESP12E
Lograr seleccionar sensores para la medición de Temperatura, Humedad, Presión atmosférica, Velocidad del viento, Irradiancia, Impulsos ópticos de contador eléctrico y Corriente alterna
Levantar el servidor de datos con MYSQL y basado en RASPBERRY PI.
Establecer comunicación entre el NODEMCU y el servidor de base de datos para el envio de variales medidas y almacenarlas para ser procesadas.
Almacenar los datos de las estaciones meteorológicas en SERVIDOR WEB LOCAL, para poder monitorear y obtener gráficas de estos datos vía WEB.
Desarrollar aplicativos WEB básicos para visualizar datos en tablas y gráficos.
Realizar pruebas al sistema propuesto.
1.5. HIPÓTESIS GENERAL
Usando las tecnologías existentes, si es posible diseñar e implementar una red de unidades (WSN) meteorológicas para monitoreo remoto de sistemas de energías renovables usando hardware y software libre que sea económicamente accesible para el mercado Peruano y Latino Americano
1.6. JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN
Con la implementación de una red de unidades (WSN) meteorológicas para monitoreo remoto de sistemas de energías renovables usando hardware y software libre, se cubrirá la necesidad que tiene la Región de Piura, de un adecuado sistema de monitoreo de sistemas de energías renovables sin costo elevado. Con esto se logrará que la ciudad de Piura cuente con un sistema de monitoreo de energías renovables confiable y de bajo costo.
Durante el desarrollo de esta tesis se aplicarán todos los conocimientos que hemos adquirido en las materias electrónica como, microcontroladores, potencia, Teleinformática I y II, donde se podrá comprobar todos los principios que se estudiaron en las mismas.
Al implementar esta red de dispositivos será de gran ayuda para que todos los estudiantes que conforman la Escuela Profesional de Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones de la Universidad Nacional de Piura, tengan otro enfoque de lo que es la ingeniería electrónica en este caso particular, aplicada al monitoreo remoto de sistemas de energías renovables.
1.7. IMPORTANCIA DE LA INVESTIGACIÓN
Esta investigación es muy importante ya que no hay antecedentes del diseño e implementación de una red de unidades (WSN) meteorológicas para monitoreo remoto de sistemas de energías renovables usando hardware y software libre para la ciudad de Piura a través de una red de sensores inalámbricos y con plataforma en la nube, con lo cual contribuye al conocimiento ya que será de interés para poder aplicarlo en un inicio en la Región de Piura y luego ampliarlo al país por su posible bajo costo.
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
2.1 ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN
A. EVOLUCIÓN TECNOLÓGICA DE LOS SISTEMAS REMOTOS DE MONITOREO EN LAS INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS.
Este artículo presenta una visión general de soluciones de monitoreo remoto para instalaciones fotovoltaicas, junto con las principales propuestas, productos comerciales y experiencias internacionales. El documento se centra en tres aspectos principales: i) Consumo de los aparatos de medición de datos y de registro, ii) Requerimientos de almacenamiento para determinadas condiciones de frecuencia de registro de datos o registro históricos de series de datos.
iii) Programas informáticos con licencias proporcionados por los fabricantes de sistemas solares.
Por otra parte, se presenta una revisión detallada de una plataforma basada en web para la supervisión de los sistemas fotovoltaico. Esta revisión se centra en las experiencias reales en base a las características siguientes: i) sensores inalámbricas de bajo consumo para recopilar información en tiempo real, ii) la escalabilidad del sistema, iii) cantidad de información (datos en tiempo real e informes periódicos) para procesar, almacenar y publicar, y iii) un conjunto de servicios electrónicos de código abierto y aplicaciones web. Finalmente, se describe una propuesta de una nueva arquitectura para sistemas de control aislado fotovoltaicos en Ecuador. (Manzano, Guevara, & Ríos, 2015)
B. DESARROLLO DE UN SISTEMA DE MONITORIZACIÓN DOMICILIARIA BASADO EN LA PLATAFORMA NODEMCU V3.
Este TFG tratará sobre el terreno de la domótica, es decir, el conjunto de tecnologías que permiten controlar y/o monitorizar muchos aspectos del hogar, como, por ejemplo, el control de las luces, de persianas, de la temperatura, etc...
En este caso, el trabajo se basa en la construcción de una maqueta de una casa sobre la que, utilizando una placa arduino-based, en concreto la NodeMCU V3
LoLin, poder controlar diferentes sensores y actuadores, como sensores de temperatura, servomotores, sensores de distancia, etc...
Debido a la conectividad Wi-Fi de la que dispone esta placa, para poder monitorizar o controlar los diferentes sensores y actuadores se puede programar un servidor web en la misma placa. Para acceder al servidor web que se crea, la placa se puede configurar como punto de acceso o conectarse a una red Wi-Fi de la que se conozcan el SSID y la contraseña, esta última opción es la que se va a utilizar en este caso.
En concreto, la maqueta tiene, cocina, garaje, habitación, jardín delantero y jardín trasero. En el jardín delantero, o entrada a la casa, dispone de un interruptor magnético en la puerta de acceso principal, para saber si esta abierta o cerrada, así como, un sensor de distancia en la puerta del garaje, para saber si hay algún vehículo cerca de la misma.
Por tanto, el trabajo a realizar es el siguiente:
-Montaje de la maqueta y los sensores sobre esta.
-Programación del servidor web en la microcontroladora NodeMCU.
-Programación del sketch necesario para el control de los sensores y actuadores sobre el servidor web.
-Grabación y Edición de un vídeo que muestre el funcionamiento de la maqueta, ya que, debido a su tamaño, sería difícil de transportar. (Monter, 2017).
C. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO DE UN SISTEMA DE ADQUISICIÓN, TRANSMISIÓN Y VISUALIZACIÓN DE DATOS HIDROMETEOROLÓGICOS.
Este proyecto se presenta como trabajo de grado para optar al título de Magister en Ingeniería Electrónica, de la Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito, el cual se desarrolla con un enfoque hacia la comunidad colombiana interesada en registrar, procesar y analizar información en tiempo real de variables hidrometeorológicas de forma remota.
Se implementa el prototipo de un sistema de adquisición, transmisión y visualización de datos hidrometeorológicos, basado en un computador de placa reducida (Raspberry Pi 2 Model B), el cual permite interacción con variedad de dispositivos por medio de los pines entrada/salida de propósito general y
diferentes interfaces de comunicación, con lo cual se implementan 8 entradas para sensores análogos, 2 entradas para sensores digitales, y 1 entrada para sensores seriales con protocolo SDI-12. Para la verificación del funcionamiento de las entradas análogas se utilizó un calibrador de procesos industriales en modo de generador de voltaje para realizar la comparación de voltaje ingresado contra voltaje leído en el prototipo a través del conversor análogo digital. Para la verificación de las entradas digitales por pulsos se utilizó un generador de pulsos manual con el cual se realizó la comparación de pulsos generados contra pulsos capturados por el prototipo en los pines GPIO de la Raspberry Pi. Finalmente para la verificación del funcionamiento de la entrada serial con protocolo SDI-12 se utiliza un sistema microcontrolado como analizador de protocolos (sniffer), con el fin de capturar la trama de datos generada entre el prototipo y un sensor SDI-12. (Pérez, 2018)
D. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA ESTACIÓN METEOROLÓGICA UTILIZANDO MICROCONTROLADOR ARDUINO-RASPBERRY PI CON RADIO ENLACE.
En la Tesis se diseña y construye un prototipo de estación meteorológica, utilizando microcontroladores embebidos Arduino y Raspberry Pi con interface web y base de datos, con enfoque de tecnología SCADA-WEB vía un radio enlace y un sistema integrado de panel solar con batería. En el proceso de ejecución del proyecto de Tesis, se han analizado diversas alternativas de solución a nivel de hardware y software, optando por el uso de tecnologías de código abierto, tales como: C++ para el micro controlador Arduino, base de datos SQLite, PHP para la página web y Python para la integración con la interface de adquisición de sensores y de la integración con el servidor OPC en el RaspberryPi
Se logró diseñar el radio enlace con tecnología Ubiquiti punto a punto, con la finalidad de contar con un sistema en tiempo real con una cobertura de hasta 15 Km. Desde el punto de vista del método de proceso de diseño de ingeniería, se realizó la validación de las especificaciones técnicas del prototipo. Asimismo, se verificó la consistencia de la estructura de datos utilizando datos reales recopilados del SENAMHI, dando aportes en el tema de integración tecnológica para una estación meteorológica. Se efectuó las pruebas de monitoreo de variables meteorológicas que han sido implementados en el proyecto de
investigación, lográndose obtener los resultados esperados en base a la solución planteada, con el propósito de establecer una base tecnológica para un modelo de negocio de estaciones meteorológicas experimentales para investigación académica. (VECORENA, 2016)
2.2. ESTACIÓN METEOROLÓGICA.
Una estación meteorológica es un dispositivo que recoge los datos de distintas variables atmosféricas que son de interés para la meteorología. Pueden estar instaladas en cualquier terreno y parte del mundo y como veremos posteriormente existen de varios tipos. (METEOCULTURA, 2019)
FIGURA 1. ESTACIÓN METEOROLÓGICA (METEOCULTURA, 2019)
Un jardín meteorológico es un espacio en donde están instalados distintos instrumentos meteorológicos ya que puede haber estaciones meteorológicas que se componen de forma separada cada instrumento. (METEOCULTURA, 2019)
FIGURA 2. JARDÍN METEOROLOGICO (METEOCULTURA, 2019)
2.2.1. ¿PARA QUÉ SIRVE UNA ESTACIÓN METEOROLÓGICA?
La utilidad principal de una estación meteorológica es recoger y registrar datos meteorológicos, con esos datos se crea información de valor que pueden tener las siguientes funcionalidades:
Saber exactamente las condiciones meteorológicas de ese ese lugar.
Comparar esa información con otras estaciones meteorológicas de lugares cercanos.
Aportar información para realizar los pronósticos meteorológicos de los modelos numéricos. Las estaciones meteorológicas oficiales y que disponen de una calidad de datos proporcionan estos a los modelos numéricos para que realicen los cálculos de los pronósticos.
Crear información climática representativa del lugar en donde se toman los datos.
Crear alertas específicas ante fenómenos meteorológicos que pudieran ser de interés.
Correlacionar fenómenos meteorológicos con situaciones de riesgo, accidentes, destrucción de infraestructuras, etc.
Información para la agricultura. La información de las condiciones meteorológicas son una información de gran valor para las explotaciones agrícolas que usan está información para tomar decisiones.
(METEOCULTURA, 2019)
Las variables que una estación meteorológica podría registrar son las siguientes.
Temperatura en aire
Humedad
Presión barométrica
Velocidad del viento
Dirección del viento
Precipitaciones
Nivel de UV
Grosor de Nieve
Temperatura en suelo
Humedad del suelo
Radiación solar
Visibilidad
Análisis de contaminación
Medición de horas luz
Medición de la altura de las nubes
2.2.2. TIPOS DE ESTACIONES METEOROLÓGICAS
En este apartado vamos a intentar clasificar las distintas estaciones meteorológicas que existen y están al alcance de todo el mundo. Después de muchos años de estudios en estaciones meteorológicas se ha creado esta clasificación: (METEOCULTURA, 2019)
2.2.2.1. ESTACIONES METEOROLÓGICAS DOMÉSTICAS.
Son aquellas que están destinadas para un público en general y suelen tener un precio bastante asequible. Sus principales características son:
Información meteorológica básica: Temperatura, Humedad y Presión Atmosférica. (METEOCULTURA, 2019)
Diseños llamativos con pantallas pequeñas.
No disponen de conexión USB
Información extra: Hora, fechas, fases lunares, hora de puesta y salida del sol.
Algunos ejemplos de estaciones meteorológicas domésticas son:
Oregon Scientific RAR502
GBlife Gigrei
2.2.2.2. ESTACIONES METEOROLÓGICAS CON CONEXIÓN A PC
Estas tienen la capacidad de conectarse a un PC a través de USB y también de almacenar datos para poder luego exportarlos a Excel. Normalmente son bastante famosas entre los aficionados porque permiten visualizar los datos meteorológicos en un software. Son algo más caras que las estaciones meteorológicas domésticas y estás suelen ser sus características principales:
(METEOCULTURA, 2019)
Información meteorológica común: Temperatura, humedad, presión atmosférica, velocidad y dirección del viento, precipitaciones.
Consola central con conector USB capaz de transmitir datos a un software de PC.
Memoria interna para almacenar datos.
Medición de variables extras: Índice de UV, radiación solar.
Diseños no muy llamativos en ocasiones.
Pantallas con toda la información meteorológica.
Calculo de variables meteorológicas:
Sensación térmica Humidex
Punto de Rocío
Las estaciones meteorológicas más populares:
Froggit WH1080
Oregon Scientific WMR89
2.2.2.3. ESTACIONES METEOROLÓGICAS WIFI
Este tipo de estaciones son las que son capaces de transmitir datos a Internet y emitirlos online. Su conexión bien puede ser por wifi o por cable al modem, dependerá del modelo.
Normalmente este tipo de estaciones transmiten los datos a Wunderground, que es una plataforma en donde es muy fácil subir los datos de tu estación meteorológica wifi.
Características principales de las estaciones meteorológicas wifi.
Información meteorológica común: Temperatura, humedad, presión atmosférica, velocidad y dirección del viento, precipitaciones.
Conexión a Internet para subir datos y poder verlos en páginas online en directo.
Hay modelos que no disponen de pantalla, pero la mayoría sí que tienen.
Muy populares entre los aficionados a la meteorología de España.
Las estaciones meteorológicas wifi más populares:
Netatmo
Froggit WH3000
Waldbeck
Garni 1055 Arcus
2.2.2.4. ESTACIONES METEOROLÓGICAS PORTÁTILES
Estas son las estaciones meteorológicas que podemos llevar con nosotros en el bolsillo. Normalmente están diseñadas para realizar toma de datos en momentos puntuales muy relacionadas con las actividades al aire libre. No suelen disponer de todas las capacidades o precisión de una estación meteorológica convencional ya que están diseñadas para resolver otras necesidades puntuales, sobre todo muy relacionadas con la velocidad del viento y con la temperatura.
Características principales de las estaciones meteorológicas portátiles:
Información básica meteorológica: No siempre dan toda la información de las distintas variables meteorológicas. Temperatura, humedad, velocidad del viento y presión atmosférica.
Portátiles. Normalmente disponen de una batería o pilas lo que las hace autónomas y pueden llevarse consigo.
Tamaño pequeño. Se pueden llevar perfectamente en un bolsillo.
Ideadas para actividades concretas. Normalmente están pensadas sobre todo para deportes que dependen mucho de las condiciones del viento o bien de la temperatura. Aunque existe un grupo de personas, como yo, que las utilizamos por afición a la meteorología con lo que se nos permite llevar una estación estemos donde estemos.
Algunas estaciones meteorológicas portátiles
SkywatchBL
Kestrel
2.2.2.5. ESTACIONES METEOROLÓGICAS PROFESIONALES PARA AFICIONADOS
Estas estaciones por lo que principalmente destacan es por la calidad y fiabilidad de sus datos frente al resto de estaciones meteorológicas.
También lógicamente su precio es mayor. Fundamentalmente este tipo de estaciones las tienen personas que son muy aficionados a la meteorología, disponen de un buen lugar para instalarlas o bien para realizar estudios meteorológicos más completos en el ámbito de la agricultura o la investigación.
(METEOCULTURA, 2019)
Características principales de las estaciones meteorológicas profesionales:
Información meteorológica completa: Temperatura, humedad, presión atmosférica, velocidad y dirección del viento, precipitaciones.
Capacidad de almacenamiento de datos. Suelen tener una memoria importante que permite almacenar bastantes datos.
Calidad de los datos. Gracias a ello son más reconocidas que otras estaciones a la hora de validar la información que recogen y su información es comúnmente aceptada.
Calidad general de los dispositivos. Son estaciones de marcas prestigiosas que se esmeran mucho en utilizar materiales y electrónica de calidad. Se nota mucho cuando hay algún fenómeno meteorológico extremo porque suelen aguantar perfectamente frente a otro tipo de estaciones. También con el paso de los años se nota que su deterioro general es menor.
También tienen la posibilidad de emitir online sus datos.
Estas son algunas de las estaciones meteorológicas profesionales para aficionados más comunes en España:
Davis Vantage Vue
Davis Vantage Pro2
Oregon Scientific WMR300
2.2.2.6. ESTACIÓNES METEOROLÓGICAS PROFESIONALES AUTOMÁTICAS.
Este tipo de estaciones son las que usan los servicios meteorológicos oficiales para registrar y transmitir los datos de áreas remotas o sin atención. Son de muy alta calidad y están homologadas para que sus datos sean oficiales, además su
instalación está a cargo de especialistas. En caso de que no puedan transmitir datos son capaces de almacenarlos hasta que tenga posibilidad de hacerlo automáticamente.
Normalmente estas son las variables que miden: Temperatura, humedad relativa, presión atmosférica, viento, precipitación y radiación.
Disponen de sistemas de energía autónoma bien con paneles solares o con baterías de larga duración. (METEOCULTURA, 2019)
FIGURA 3. JARDINES METEOROLÓGICOS PROFESIONALES ATENDIDOS.
(METEOCULTURA, 2019)
En el caso que una estación meteorológica esté atendida suele haber un jardín meteorológico con diversos instrumentos meteorológicos. Este tipo de recintos son mantenidos y controlados por observadores del tiempo y técnicos especializados que diariamente revisan el instrumental y se encargan de tomar datos a veces de forma manual. (METEOCULTURA, 2019)
2.2.2.7. ESTACIONES METEOROLÓGICAS ANÁLOGICAS
Las estaciones meteorológicas analógicas son aquellas que no disponen de ningún tipo de alimentación eléctrica por lo tanto todos sus instrumentos son o bien mecánicos, manuales o funcionan a través de fluidos que cambian sus propiedades por la influencia de las variables meteorológicas como la temperatura, la humedad o la presión atmosférica. (METEOCULTURA, 2019)
FIGURA 4. UN EJEMPLO DE ESTACIÓN METEOROLÓGICA ANALÓGICA (METEOCULTURA, 2019)
2.2.3. ¿QUÉ INSTRUMENTOS TIENE UNA ESTACIÓN METEOROLÓGICA?
Lo primero que hay que decir es que no todas las estaciones meteorológicas tienen todos los instrumentos que se nombran y no son necesarios en algunas ocasiones o lugares.
Por ello, vamos a dividir primero en lo que considero que son los instrumentos principales que tienen las estaciones meteorológicas profesionales para aficionados y los instrumentos que tendrían las estaciones meteorológicas oficiales. (METEOCULTURA, 2019)
Instrumentos más comunes en las estaciones meteorológicas TERMÓMETRO:
Es un instrumento que mide la temperatura del aire del momento. Lógicamente la temperatura es una de las variables más importantes en la meteorología y como afecta a los humanos. Todo el mundo sabe interpretar una temperatura y sabe lo que se siente con esa temperatura.
Tipos de termómetro:
Termómetro Six-Bellani. Es un termómetro de mercurio o alcohol que registra a la vez la máxima y la mínima del periodo que se quiera.
Termómetros de máximas y mínimas. Son unos termómetros de mercurio que irán desapareciendo y que están diseñados para registrar la máxima o la mínima únicamente.
Termómetro ordinario. Mide la temperatura del aire en seco.
Termómetro húmedo. Mide la temperatura húmeda del aire y se usa junto el termómetro seco para calcular la humedad relativa si se necesita mucha precisión. (METEOCULTURA, 2019)
FIGURA 5. TERMÓMETROS DE ESTACIÓN METEOROLÓGICA (METEOCULTURA, 2019)
HIGRÓMETRO O PSICÓMETRO.
Mide la humedad relativa del aire y la temperatura del punto de rocío. La humedad tiene una importancia alta ya que afecta a nuestra sensación térmica en combinación con el calor o con el frío. También es importante para el crecimiento y la evolución de las plantas. (METEOCULTURA, 2019)
FIGURA 6. HIGRÓMETRO O PSICÓMETRO (METEOCULTURA, 2019)
PLUVIÓMETRO.
Mide la cantidad de precipitaciones caídas. Las precipitaciones son uno de los elementos meteorológicos más importantes y su medición nos dará información relevante fundamentalmente para la agricultura, el abastecimiento de agua y posibles desastres por lluvias torrenciales. (METEOCULTURA, 2019)
FIGURA 7. PLUVIÓMETRO (METEOCULTURA, 2019)
ANEMÓMETRO.
Mide la velocidad del aire. El viento puede ser uno de los fenómenos más devastadores que hay en la meteorología por su virulencia. Creo que es fundamental poder medir su fuerza. (METEOCULTURA, 2019)
FIGURA 8. ANEMÓMETRO. (METEOCULTURA, 2019)
VELETA.
Indica la dirección del viento. Nos indicará la procedencia por coordenadas del aire. Esta información puede ser de utilidad para las predicciones sabiendo que ciertos componentes de aire traen unos fenómenos u otros. (METEOCULTURA, 2019)
FIGURA 9. VELETA (METEOCULTURA, 2019)
BARÓMETRO.
Mide la presión atmosférica. La presión atmosférica nos da información sobre si nos encontramos en altas o bajas presiones y cuál es la tendencia. Es un excelente indicador de la evolución del tiempo que nos puede dar información sobre cómo está evolucionando y a que nos podemos ver expuestos.
Otro tipo de instrumentos meteorológicos que se usan en estaciones meteorológicas oficiales. (METEOCULTURA, 2019)
FIGURA 10. BARÓMETRO. (METEOCULTURA, 2019)
TERMÓMETROS DE SUBSUELO (GEOTERMÓMETRO).
Este tipo de información es muy útil para agricultura fundamentalmente. Se pueden establecer varias medidas para tomar la temperatura del suelo.
(METEOCULTURA, 2019)
FIGURA 11. TERMÓMETROS DE SUBSUELO (METEOCULTURA, 2019)
TERMÓGRAFO.
Registra automáticamente las fluctuaciones de la temperatura.
Es un instrumento que funciona a modo de registrador continuo de la temperatura. Su funcionamiento es similar al de un sismógrafo o una máquina de la verdad. Es decir, hay un bolígrafo que está en permanente contacto con una hoja de papel calibrada con las temperaturas y que va moviéndose en función del tiempo. Este bolígrafo es sensible al cambio de temperaturas por lo que en todo momento las registra. (METEOCULTURA, 2019)
FIGURA 12. TERMÓGRAFO. (METEOCULTURA, 2019)
PIRANÓMETRO O SENSOR DE INSOLACIÓN.
FIGURA 13. PIRANÓMETRO O SENSOR DE INSOLACIÓN (METEOCULTURA, 2019)
Medida de la radiación solar global (directa + difusa).
HELIÓGRAFO.
Con este dispositivo se miden el número de horas de luz de cada día. Su funcionamiento es similar a cuando quemamos con una lupa un periódico utilizando los rayos del sol y concentrando su energía. Cada día se cambia una hoja de papel o cartón que va siendo quemada a medida que el sol incide.
(METEOCULTURA, 2019)
FIGURA 14. HELIÓGRAFO (METEOCULTURA, 2019)
NEFOBASÍMETRO O CIELÓMETRO.
Mide la distancia desde el suelo hasta la base de la nube. También tienen la capacidad de medir concentraciones de aerosoles en la atmosfera, esto es útil para detectar contaminación.
La forma de medir la base de las nubes se realiza proyectando un láser hacia el cielo de tal forma que está luz es sensible cuando alcanza una nube u otro elemento que impida al laser continuar. (METEOCULTURA, 2019)
FIGURA 15. NEFOBASÍMETRO O CIELÓMETRO (METEOCULTURA, 2019)
NIVOMETRO.
Este dispositivo mide la profundidad de la nieve con respecto al suelo. Se suele utilizar en lugares donde las nevadas son frecuentes. La forma en que tiene de medir la profundidad la nieve es a través de un rayo láser o bien de forma acústica, a través del dispositivo detecta la altura en la que está el suelo hasta que topa con superficie, bien sea la nieve o el suelo. También puede medir la profundidad del granizo en el caso de que hubiera. (METEOCULTURA, 2019) VISIBILÍMETRO.
Dispositivo capaz de medir la visibilidad en cada momento. Muy útil en las pistas de aterrizaje de los aeropuertos ya que es una variable fundamental para la seguridad en los aterrizajes y despegues. (METEOCULTURA, 2019)
RADIÓMETRO.
Sirve para medir la radiación electromagnética.
DETECTOR DE RAYOS.
Sistemas que son capaces de detectar en unos km a la redonda si ha habido una descarga eléctrica por un rayo.
2.3. ENERGÍA RENOVABLE
Se denomina energía renovable a la energía que se obtiene de fuentes naturales virtualmente inagotables, ya sea por la inmensa cantidad de energía que contienen, o porque son capaces de regenerarse por medios naturales.
Entre las energías renovables se cuentan la energía eólica, la geotérmica, la hidroeléctrica, la mareomotriz, la solar, la undimotriz, la biomasa, y los biocarburantes. (https://es.wikipedia.org/wiki/Energía_renovable, s.f.)
FIGURA 16. GIRASOL: El girasol, ÍCONO de las energías renovables por su enorme aprovechamiento de la luz solar, su uso para fabricar biodiesel y su "parecido" con el
Sol. (https://es.wikipedia.org/wiki/Energía_renovable, s.f.)