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Sistema Meteorologico con Comunicacion Remota Usando Zigbee.

Meteorological System with Remote Communication Using Zigbee

1. INTRODUCCION

Una estacion meteorologica es un equipo utilizado para la medicion y registro de variables climatologicas, cuyos datos se utilizan para la prediccion de cambios del medio ambiente y a partir de estos tomar las respectivas prevenciones. Tambien es utilizada para estudios atmosfericos en regiones donde el cambio climatico hace parte del proceso agricola.

Las precipitaciones, el viento, la humedad y la temperatura son variables usuales de una medicion del medio ambiente, las cuales se interpretan por medio de modelos matematicos generados de un proceso de caracterizacion. Estos modelamientos pueden ser representados por medio de datos numericos o imagenes graficas.

Este desarrollo tecnologico permite a las instituciones, empresas y en general a aquellas entidades que requieren medir microclimas, visualizar y registrar continuamente las variables enumeradas en un centro de mando remoto. Discernir los cambios atmosfericos que inciden directamente en el sitio de la instalacion, por medio del acceso remoto a los datos, puede servir de insumo para trabajos relacionados con la produccion agricola y la prevencion a riesgos por desastres naturales muy comunes en los ultimos tiempos en el mundo. En Colombia, esto sistemas de medicion son necesarios debido a la topografia (diferentes microclimas) y la gran zona selvatica.

La estacion implementada es un sistema de medida basado en sensores, como lo son: el Anemometro: el cual detecta la velocidad y direccion del viento, el Pluviometro: que mide la precipitacion del agua generada por la lluvia, y el Termo higrometro: que mide la humedad relativa del aire y la temperatura.

El sistema para la adquisicion de datos se diseno basado en tecnologia Arduino, el cual permite el envio inalambrico de datos por medio del soporte Arduino Xbee, Zigbee, y una visualizacion en tiempo real de las variables a medir.

2. DESARROLLO DEL ARTICULO

2.1. Descripcion de la Estacion Meteorologica

La meteorologia es el estudio de los fenomenos atmosfericos y de los mecanismos que producen el tiempo, orientado a su prediccion [1]. Teniendo en cuenta este concepto, una estacion de meteorologia permite brindar informacion de las diferentes variables atmosfericas que para este caso son: la temperatura, precipitacion pluvial, humedad relativa y velocidad del viento.

La climatologia es la rama de la meteorologia que se preocupa de estudiar la evolucion de las condiciones medidas de la atmosfera en periodos relativamente largos, incluyendo cambios que ocurren en periodos de decadas (variabilidad decadal) o de siglos (variabilidad secular) [1].

Esta estacion meteorologica se basa en un modelo norteamericano cuyo sistema se llama: EZ MOUNT ADVANCE STATION [2], cuya funcion es proporcionar datos por medio de unos sensores hacia una consola inalambrica. Las aplicaciones fundamentales radican en dos especialmente: como predictor, en donde es utilizada para la realizacion del analisis sinoptico, pronosticos y alertas tempranas sobre la ocurrencia de fenomenos severos. Tambien como sistema basico de medicion para ciertas operaciones locales como por ejemplo: aerodromos, en la operacion de cierta maquinaria de construccion, produccion de frutas y verduras, entre otras.

Para la medicion de las variables climaticas se usaron sensores que poseen un comportamiento lineal evidenciado en la caracterizacion de cada uno de ellos. Sus principios de funcionamiento son: tipo capacitivo, inductivo y magnetico. Por lo anterior se hace fundamental seguir las leyes de Kirchhoff y la ley de ohm y asi, realizar los procesos correspondientes para su modelamiento y posterior acondicionamiento de senal.

Los sensores utilizados son los siguientes:

Anemometro: es un sensor conformado por 3 cazoletas usado especificamente para medir la velocidad del viento y direccion del viento [3], Fig. 1

Pluviometro: Es un instrumento que se emplea en las estaciones meteorologicas para la recogida y medicion de la precipitacion. Se usa para medir especificamente la cantidad de precipitaciones caidas en un lugar durante un tiempo determinado [4], [5]. La Fig. 2 muestra un pluviometro y sus partes.

Hay que tener en cuenta que las lluvias se dividen acorde a su intensidad y comunmente se mide por cantidad de precipitacion por hora, siendo la unidad de medida mm/h. Se clasifican de la siguiente manera:

* Debiles: menos de 2 mm/h.

* Moderadas: entre 2 y 15 mm/h.

* Fuertes: entre 15 y 30 mm/h.

* Muy fuertes: entre 30 y 60 mm/h.

* Torrenciales: mas de 60 mm/h.

Termohigrometro: es un sensor de Humedad relativa del aire y temperatura que tiene como referencia DHT22, el cual utiliza un sensor capacitivo de humedad y un termistor para medir el aire circundante, y muestra los datos mediante una senal digital [6].

Para la caracterizacion de los sensores, se usa un patron de referencia con caracteristicas de medida mejor al dispositivo. Asi mismo, se utilizan las curvas de tendencia dadas por los fabricantes, las cuales vienen referenciadas en las hojas de especificaciones y los metodos indirectos de caracterizacion del sensor.

Para la caracterizacion del anemometro, se uso como referencia un dispositivo con medida digital (Cateye Velo 9) como el mostrado en la Fig. 3, que permite visualizar de manera mas exacta la velocidad del viento. En el caso del pluviometro, se tiene en cuenta una serie de ecuaciones que involucran las dimensiones del recipiente, resolucion y la frecuencia de cambio dada por el balancin de acuerdo con la intensidad de la precipitacion. El instrumento de referencia para determinar la cantidad de lluvia que cae es un cateter de perfusion, el cual permite proporcionar de forma controlada, la cantidad de liquido en milimetros de agua al recipiente. Por ultimo, para el sensor de temperatura y humedad relativa del aire, se hicieron uso las caracteristicas que trae el sensor, el cual viene calibrado de fabrica. Al conectarlo a la placa Arduino, y con el codigo respectivo se podra tener el valor de Humdad en %RH y de temperatura en oC para su visualizacion.

A continuacion se describen otros dispositivos usados para la implementacion de la estacion e meteorologia.

Cateye Velo 9: Es un sensor que al igual que el anemometro mide la velocidad dependiendo de las revoluciones por segundo que este marca, es usado comunmente para medir la velocidad en vehiculos de una sola llanta [7]. La Fig. 3 muestra la apariencia del dispositivo.

Los dispositivos usados para el procesamiento de la informacion y la transmision de los datos son:

Arduino Mega: Es una placa electronica basada en el ATmega128, la cual cuenta con 54 pines digitales de entrada, salida y 16 entradas analogicas, que funciona como tarjeta de adquisicion para sistemas electronicos configurados por medio de lenguaje de programacion [8], [9].

Modulo Xbee, ZigBee: son pequenos dispositivos que pueden comunicarse entre si de manera inalambrica. Son fabricados por Digi International, los cuales ofrecen una gran variedad de combinaciones de hardware, protocolos, antenas y potencias de transmision [9] [10].

2.2. Desarrollo y Procedimientos de Caracterizacion

Inicialmente los datos obtenidos de las variables mencionadas seran visualizados en el sitio de ubicacion de la estacion meteorologica, para luego llevarlas inalambricamente a un sitio de medida remoto. La Fig. 4 muestra el diagrama procedimental utilizado.

La caracterizacion de los sensores se realizo de la siguiente forma:

Caracterizacion del anemometro: para caracterizar el anemometro se tuvo en cuenta las interrupciones generadas cada vez que se cruzan el iman y el reed switch, y que a la vez son interpretadas por el sistemas Cateye velo 9 como velocidad en km/h.

El proceso consiste en ir colocando el sensor cada 40 cm en linea recta hasta llegar a los 280 cm. Estas medidas se establecieron bajo criterios de prueba ensayo y error. Se utilizo como fuente, un equipo de generacion de viento. La Fig. 5 muestra el proceso de caracterizacion distancia versus viento.

La cantidad de interrupciones son tomadas cada 20 segundos; al finalizar los 20 segundos se comparan la cantidad de interrupciones con respecto a la velocidad en km/h que marca el Cateye Velo 9; Estos datos son utilizados para sacar la ecuacion caracteristica.

Caracterizacion del Pluviometro: en la parte superior del Pluviometro de balancin se encuentra la boca de captacion que tiene forma de embudo, la cual recolecta la muestra de precipitacion y lo dirige hacia un elemento llamado balancin.

Al igual que el anemometro, el pluviometro trabaja por medio de interrupciones, con un Reed Switch que trae en la parte interna. La Fig. 6, muestra la posicion del sistema de deteccion magnetico.

Al exponer el pluviometro al evento de precipitacion liquida, se recolecta el volumen de agua que sera dirigido al balancin. El volumen necesario para hacer funcionar el balancin viene dado por el area de la boca de captacion y la resolucion del instrumento, que en este caso es de 0,2 mm (dato obtenido de la placa del pluviometro).

Como muestra la Fig. 6, en la parte posterior se encuentra un iman, que cuando se acumula cierta cantidad de agua. El peso hace que el balancin pierda el equilibrio y gire, haciendo que el iman pase al lado de un detector magnetico que produce el cierre temporal de un interruptor. Este cierre temporal produce un pulso que es detectado por el elemento de medicion.

Para realizar la caracterizacion se utiliza un cateter de perfusion, cuya funcion es simular la cantidad de lluvia (precipitacion) proveniente de un recipiente con una cantidad determinada. Recordar que 1 mm de agua equivale a 1 litro de agua por metro cuadrado (1 Lm2).

Al vaciar el agua en la boca de captacion, variando la velocidad en la que sale por el cateter de perfusion y con una duracion de 5 minutos por intervalo de captacion se tiene una relacion indirecta de precipitacion versus tiempo y acumulacion versus tiempo. Este proceso se hace durante los siguientes 20 minutos.

Para obtener los datos de la de la acumulacion total se realizan los siguientes pasos:

Se multiplica la precipitacion o pulsos por la resolucion, en este caso es de 0,2 mm, obteniendo asi la acumulacion. La ecuacion que la representa se muestra en (1):

Acumulacion = # interrupciones x resolucion (1)

Ejemplo 1: pluviometro con resolucion de 0,2 mm y cantidad de pulsos 3.

Aplicando la ecuacion (1), se tiene:

Acumulacion = 3x0,2 mm = 0,6 mm

Asumiendo este resultado se dispone a realizar la acumulacion total por medio de una relacion de proporcionalidad, donde se tiene en cuenta la toma de datos de captacion cada 5 minutos en un lapso de tiempo de 1 hora. La anterior relacion se muestra en la ecuacion (2).

[Acumulacion.sub.total] = 60 minutos x Acumulacion/ 5 minutos (2)

Ejemplo 2: de acuerdo a los resultados obtenidos del ejemplo 1, encontrar la acumulacion total.

Usando la ecuacion (2), se tiene:

[Acumulacion.sub.total], 60 minutos x 0,6, mm/ 5 minutos = 7,2 mm

Caracterizacion del Termohigrometro: este sensor mide la temperatura y humedad relativa del ambiente durante el momento que esta encendido, esta protegido por una carcasa que esta formada por varios segmentos de plasticos cuya funcion es brindarle proteccion al sensor del agua, debido a que estos tipos de estaciones se encuentran instaladas en la intemperie. Ver Fig. 7.

Por ser el Termohigrometro (DHT22) un sensor que ya viene caracterizado de fabrica, lo que se hace es conectar el sensor directamente a la placa Arduino y descargar de la pagina oficial su respectiva libreria para que el sensor pueda leer y visualizar los datos [11].

2.3. Configuracion para la Transmision de Datos

Para La programacion de los modulos Xbee se debe contar con el software de configuracion X-CTU, Fig. 8.

Los Xbee se configuran uno como coordinador y otro como enrutador. El coordinador sera el responsable de mantener la red, identificando uno por red; el enrutador actua como mensajero entre los dispositivos que estan demasiado separados para transmitir la informacion por su cuenta.

La configuracion utilizada para la comunicacion de datos es de tipo serial y para comenzar la configuracion, primero se asignan los siguientes parametros.

Baud=9600

Flow Control= NONE.

Data Bits=8

Parity=NONE

Stop Bits=1

Seguidamente, la opcion TEST/QUERY como se muestra en la Fig. 9, se confirma, para que detecte el modulo y registre el programa.

En la misma ventana se ingresa a la opcion Modem Configuration, como se muestra en la Fig. 10, para configurar el modulo como COORDINADOR (SH Serial Number High)--(SL--Serial Number Low) y como ENRUTADOR, en donde se asigna cuantos modulos se van a enrutar, que para este caso es uno.

La verificacion y visualizacion de los datos en el ordenador se realizo utilizando el software de configuracion X-CTU, el cual permite mostrar los datos por medio de un puerto virtual (hyperterminal).

3. RESULTADOS

La caracterizacion del anemometro arrojo los datos mostrados en la tabla 1.

Con los datos anteriores se obtiene una grafica que permite ver la curva caracteristica del sensor y asi mismo poder sacar de alli la ecuacion que predomina en el sistema, Fig. 11.

La ecuacion caracteristica encontrada para el anemometro es (3):

Velocidad (km/h) = (#interrrupciones - 10,875)/2,5086 (3)

La correlacion obtenida es:

[R.sup.2] = 0,997

Ahora, la caracterizacion del pluviometro arrojo los datos mostrados en la Tabla 2.

Con los datos de la Tabla 2 se obtuvieron las mediciones de interrupciones contra el tiempo, precipitacion acumulada frente al tiempo e intensidad versus tiempo.

La Fig. 12 muestra la cantidad de interrupciones obtenidas en intervalos de 5 minutos.

La Fig. 13 muestra la precipitacion, la cual se obtiene al multiplicar la cantidad de pulsos por la resolucion (0,2 mm).

La Fig. 14 muestra la intensidad en cada intervalo de tiempo, teniendo en cuenta la cantidad acumulada en 60 minutos.

Como resultado final se muestra en Fig. 15, el montaje final de la estacion de meteorologia con la ubicacion de los sensores en la estructura y tambien, en la Fig. 16, la descripcion de las etapas principales de la caja de control y visualizacion.

4. TRABAJOS FUTUROS

Es importante tener en cuenta que a raiz del desarrollo mostrado, se puede complementar el trabajo creando una base de datos permanente, que sirva como insumo para el analisis y desarrollos en diferentes ambitos como lo es la agricultura y el comercio entre otras.

Otro aspecto que es importante resaltar, tiene que ver con la posibilidad de expandir la zona de medicion implementando una red de estaciones de medicion en tiempo real, que permita abarcar mayor territorio.

5. CONCLUSIONES

Dadas las circunstancias, los prototipos desarrollados de esta indole son comunmente utilizados para prevenir futuros estados del medio ambiente en alertas tempranas, la informacion almacenada puede ser de gran utilidad en sectores como la agricultura, la ganaderia entre otros, puesto que se les haria muy facil obtener informacion adecuada para sus respectivas areas.

La estacion desarrollada sirve para la recopilacion continua de datos de las variables de temperatura, precipitacion, velocidad del viento y humedad relativa, los cuales sirven de insumo importante para academicos, investigadores, entidades relacionadas con la generacion de productos agricolas de la region.

DOI: http://dx.doi.org/10.21501/21454086.2855

REFERENCIAS

[1] Fundacion espanola para la ciencia y la tecnologia, "Unidad Didactica: Metrologia y Climatologia", Edicion: FECYT, ISBN: 84-688-8535-5, 2004.

[2] EZ--Mount Weather Stations Manual, "EZ SOLAR POWER KIT", DAVIS--PRODUCTO # 7707--Disponible en: http://www.davisnet.com/product_documents/weather /manuals/ez_solar_power_kit.pdf

[3] Aguirre L, Chuquiej B, Granados W, Cifuentes J., "Instrumentacion Industrial: Anemometro", Universidad de San Carlos de Guatemala, Disponible en: https://www.researchgate.net/publication/301495533 _INSTRUMENTACION_INDUSTRIAL_ ANEMOMETRO

[4] Muller A., "Pluviometros y Pluviografos", METEOROLOGISCHE INSTRUMENTE KG, 2013, DISPONIBLE EN: http://www.rfuess-mueller.de/2210S.pdf.

[5] Bateman A., "Hidrologia Basica y Aplicada", UPTC: Grupo de Investigacion en Transporte de Sedimentos (GITS)--2007.

[6] La Rosa D, Trujillo M., "Blog de Laboratorio de Quimica", 2013, Disponible en: http://laboratorioquimico.blogspot.com.co/2013/10/que-es-un- termohigrometro-digital.html .

[7] CYCLOCOMPUTER, "Manual: Cateye velo 9", 2012, Disponible en: https://www.cateye.com/files/manual_dl/1/734/CC-VL820520_HP_ES_v3-1.pdf.

[8] Evans W., "Arduino notebook: a beginner's reference written and compiled", 2007, Disponible en: http://www.arduino.cc, http://www.wiring.org.co, http://www.arduino.cc/en/Booklet/HomePage, http://cslibrary.stanford.edu/101/

[9] Tienda de Robotica, "Guia Basica de Arduino--Una guia practica sobre el mundo del Arduino", Disponible en: http://tdrobotica.co/download/Libro_kit_Basico.pdf

[10] DIGI INTERNATIONAL INC., "PRODUCT MANUAL V1.XEX--802.15.4 PROTOCOL--RF MODULE PART NUMBERS: XB24-A...-001, XBP24-A...-001", 2009.

[11] AOSONG ELECTRONICS CO.,LTD, "MANUAL DHT22: DIGITAL--OUTPUT RELATIVE HUMIDITY & TEMPERATURE SENSOR/MODULE", 2016.

Edward Jhohan Marin Garcia, MsC

Universidad de Valle

Cartago, Colombia

marin.edward@correounivalle.edu.co

Jose Neftali Torres Marin

Universidad de Valle

Cartago, Colombia

neftali.torres@correounivalle.edu.co

Andres Felipe Serna Ruiz, MsC

Universidad de Valle

Cartago, Colombia

andres.felipe.serna@correounivalle.edu.co

(Recibido el 29-06-2018, Aprobado el 05-12-2018, Publicado el 11-01-2019)

Leyenda: Fig. 1. Anemometro y sus partes.

Leyenda: Fig. 2. Pluviometro y sus partes.

Leyenda: Fig. 3. Cateye Velo 9.

Leyenda: Fig. 4. Diagrama procedimental para la implementacion de la estacion.

Leyenda: Fig. 5. Caracterizacion del Anemometro.

Leyenda: Fig. 6. Balancin. Reed Switch--iman.

Leyenda: Fig. 7. Carcasa plastica del Termohigrometro.

Leyenda: Fig. 8. Software de configuracion X-CTU.

Leyenda: Fig. 9. Configuracion serial del Xbee.

Leyenda: Fig. 10. Configurando Xbee.

Leyenda: Fig. 11. curva caracteristica del Anemometro.

Leyenda: Fig. 15. Estacion meteorologica.

Leyenda: Fig. 16. Caja de visualizacion de la estacion de meteorologia y sus partes.
Tabla 1. Caracterizacion de anemometro.

Interrupciones   Km/h

293              112
221               85
171               62
119              42,5
82               31,5
64               21,5
43                11

Tabla 2. Caracterizacion del Pluviometro.

Tiempo   Interrupcion   Precipitacion(0,2)   Acumulacion

5             3                0,6               7,2
10            8                1,6              19,2
15            23               4,6              55,2
20            31               6,2              74,4

Fig. 12. Interrupciones vs tiempo.

INTERRUPCIONES VS TIEMPO

TIEMPO (MINUTOS)

(0 5)      3
(5 10)     8
(10 15)   23
(15 20)   31

Nota: Tabla derivada de grafico de barra.

Fig. 13. Precipitacion acumulada vs tiempo.

PRECIPITACION TIEMPO

TIEMPO (MINUTOS)

(0 5)      0,6
(5 10)     1,6
(10 15)    4,6
(15 20)    6,2

Nota: Tabla derivada de grafico de barra.

Fig. 14. Intensidad vs tiempo.

INTENSIDAD VS TIEMPO

TIEMPO (MINUTOS)

(0 5)      7,2
(5 10)    19,2
(10 15)   55,2
(15 20)   74,4

Nota: Tabla derivada de grafico de barra.
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Author:Marin Garcia, Edward Jhohan; Torres Marin, Jose Neftali; Serna Ruiz, Andres Felipe
Publication:Lampsakos
Date:Jul 1, 2018
Words:3349
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