Optimización de la estación meteorológica en la granja experimental de la Universidad Surcolombiana

Optimización de la estación meteorológica en la granja experimental de la Universidad Surcolombiana

Optimization of the weather station of
the experimental farm of Surcolombiana University

Jesús D. Quintero P.^[1], Mario A. Castañeda M.2 y Brayan A. Suaza A.3

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Resumen

El artículo presenta la construcción de un sistema electrónico de la granja experimental de la Universidad Surcolombiana, para la captura, transmisión y despliegue de la medición de las siguientes variables: temperatura, presión atmosférica, humedad relativa, humedad del suelo, precipitación, radiación, velocidad y dirección del viento; en tiempo real sin importar la distancia de la estación meteorológica lo que permite tener acceso a toda la información detallada de todas las variables por medio de una página web (http://estacionusco.xyz/) que puede ingresar cualquier persona para el desarrollo de estudios, cultivos y nuevos proyectos. El sistema es la base para realizar una estación móvil con el fin de tener información global en diferentes puntos o zonas deseadas.

Palabras clave: Sistema electrónico, Transmisión, medición, variables, estación meteorológica, estación móvil.

Abstract

This article shows the construction process of an electronic system of the experimental farm of the Surcolombiana University, to capture, transmition and the deployment of a group of variables: temperature, sun radiation, atmospheric pressure, relative humidity, soil moisture, rainfall, speed and direction of wind; everything is measure in real time no matter how far you are from the weather station, which allows having access to all the information of all the variables through a web page (http://estacionusco.xyz/) that anyone can enter for research purposes, crops and new projects. The system is a key piece to make a mobile station with the purpose of having global information in different desired places and zones.

Keywords: Electronic system, transmition, measurement, variables, weather station, mobile station

1. Introducción

La meteorología es la ciencia interdisciplinaria de la física de la atmosfera, que estudia el estado del tiempo, el medio atmosférico, los fenómenos producidos y las leyes que lo rigen. En este proyecto se planteó poner nuevamente en funcionamiento la estación meteorológica situada en la Granja experimental de la Universidad Surcolombiana, reemplazando totalmente el módulo de control y a su vez mejorando su funcionamiento tanto en procesamiento como en la cantidad de variables a estudiar, con el fin de poder tomar medidas exactas y realizar el seguimiento de las siguientes variables atmosféricas: temperatura, luminosidad, velocidad del viento, dirección del viento, presión atmosférica, humedad relativa, humedad del suelo y precipitación.

El objetivo de este proyecto fue diseñar y construir el módulo de una estación meteorológica remota y modular. El diseño es sostenible, lo cual corresponde a minimizar los consumos de energía a fin de que sea autónoma energéticamente mediante un panel solar.

Es importante resaltar que el diseño de la estación meteorológica es de bajo costo, teniendo como objetivo primordial de obtener fiabilidad para el estudio de la meteorología. Por tanto, los sensores y los componentes que se utilizaron son los adecuados para la medición de las variables.

Se realizó una página web con el fin de mostrar información detallada de cada variable, el cual se tiene suficientes muestras para que proporcione información lo suficientemente válida, para el estudio de los diferentes fenómenos meteorológicos.

1. Escenario de aplicación

La granja experimental de la Universidad Surcolombiana, posee una estación meteorológica, la cual se encontraba censando temperatura, velocidad del viento y humedad, siendo esto poca información para un análisis climático objetivo y completo. No obstante, para la obtención de la información se requería el pago a terceras personas lo que ocasiona pérdidas económicas a la universidad.

Se decidió optimizar dicha estación, la cual comprendió, el mantenimiento y adecuación de esta y al mismo tiempo un sitio web de fácil acceso para el monitoreo constante de las variables que serán adquiridas desde la granja experimental, la cual es ubicada vía Palermo, cruce el Juncal. Para efectuar un registro de las variables climatológicas fue necesario contar con el equipo adecuado para automatizar el proceso de medición, un Microcontrolador programado fue lo esencial para el procesamiento de los datos.

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1. Materiales y Métodos

Para este proceso, se inició con la investigación del dispositivo de procesamiento lo cual es la parte primordial de todo el módulo, con lo cual se buscaba que soportará toda la carga de los diferentes transductores y al mismo tiempo que fuese resistente al tipo de uso que será sometido. Luego de tener claro que el sistema de procesamiento iba a estar a cargo del computador Raspberry pi, se prosiguió al análisis y funcionamiento de los diferentes sensores, tanto los que ya estaban como los que fueron añadidos, teniendo claro que cada uno de estos posee una tabla técnica donde especifica alimentaciones, salidas y las diferentes ecuaciones que se deben aplicar para hallar el valor real que se desea. Posteriormente se debe tener claro que el dispositivo Raspberry Pi solo posee entradas digitales, por lo tanto, se adecuo el convertidor análogo digital ADS1115 que trabaja bajo el protocolo de comunicación I2C el cual funciona en serie de forma bidireccional.

Teniendo los conversores y los sensores interconectados con nuestra Raspberry se implementó un código en el lenguaje de programación Python donde se realizan las diferentes conversiones mediante el valor obtenido gracias a los transductores y donde a la vez se visualizan las variables mediante una interfaz gráfica.

Se acondiciono el envío de alertas a los diferentes correos del respectivo personal encargado para que tomen acción inmediata en caso de anomalías en el ambiente o en el funcionamiento del sistema y por supuesto el envío de información a nuestra base de datos, todos estos establecidos en scripts distintos pero que son llamados o interconectados en el de adquisición o script principal.

La etapa de alimentación consiste en una fuente de energía duradera, el uso de energías alternativas hoy en día es una opción que se considera entre las más eficiente; el panel solar capaz de suministrar una determinada energía eléctrica a partir de la energía solar será  utilizado para suplir la necesidad que requiere el sistema; haciendo que a este se le esté suministrando constantemente energía; la potencia disipada por el prototipo es relativamente baja, por tal razón el panel solar utilizado posee las siguientes características: el voltaje suministrado es de  dos salidas de 12VDC a 24W de potencia, asegurando la eficiencia del sistema.

Finalmente se procedió a realizar el diseño de la placa, el montaje e instalación del módulo y los sensores, con lo cual se hicieron las pruebas finales.

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3.1 Método de diseño

Durante muchos años el hombre se dio cuenta de la forma en que le afectan los cambios climáticos, la periodicidad de las estaciones, el comportamiento de los vientos y las lluvias, trato de anticiparse a ellos haciendo pronósticos basados en su totalidad en una base empírica. Fue después de tomar una actitud más analítica que se interesó en medir y llevar un registro de los cambios del clima. Es así que surgieron diferentes formas de medir las variables climáticas, las que se han ido ajustando a las necesidades conforme se ha requerido. Actualmente existen organismos que regulan estas mediciones y establecen normas para mantener una congruencia de la información, como la Organización Meteorológica Mundial y la Sociedad Americana para Pruebas y Materiales.

Un servicio completo que va desde la adquisición de datos en la estación (entradas análogas y digitales), procesamiento, manejo y despliegue de la información de forma remota. El siguiente diagrama permite ejemplificar el flujo de la información:

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El método de diseño principal de un sistema de información, consta de diagramas y esquemas, que permiten analizar toda la información previamente, para luego implantar reglas las cuales se deben cumplir en el desarrollo. (Silberschatz et al, 2002).

El diagrama de la Figura 2 contiene una explicación general de las herramientas y el proceso que deben seguir para que el usuario pueda visualizar y manipular los datos, el cual se puede acceder desde cualquier tipo de maquina ya sea un computador, celular, Tablet, etc.

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 La figura 4 muestra el diagrama principal de diseño para un sistema automático de información, según el diagrama el sistema debe tener un respaldo de almacenamiento, para asegurar la información y un sistema de respaldo de energía para que su funcionamiento sea 24/7, previniendo caídas de energía eléctrica.

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