i

MONITOREO DE UNA ESTACIÓN METEOROLÓGICA VÍA INTERNET

Ismael Guardado Dávila e Isidro Palacios Camacho

Directores de tesis: Dr. Jorge De la Torre y Ramos yM. En C. Atziry Magaly Ramírez Aguilera

RESUMEN

En este proyecto se presenta el diseño, desarrollo e implementación de unsistema de transmisión y recepción para el monitoreo de una estaciónmeteorológica vía Internet.

Se describe cada uno de los sensores utilizados, la etapa deacondicionamiento de las señales para la conexión con el microcontroladorPIC16F877A el cual tiene la función de realizar la captura y digitalización de lasseñales analógicas de los sensores para poder llevar acabo la etapa detransmisión.

También se presenta la etapa de recepción compuesta de un circuitoreceptor y el microcontrolador PIC16F84A encargado de enviar los datos a latarjeta de adquisición NI-ELVIS que permite hacer la comunicación con la PC.

Para la construcción de la interfaz entre la tarjeta NI-ELVIS y la PC se creaun programa en LabVIEW el cual es responsable de controlar la lectura de lainformación enviada a la tarjeta de adquisición, interpretar y crear una base dedatos dentro de la PC. Por último se hace un despliegue de los datos en unapágina de Internet.

ii

AGRADECIMIENTOS

A DIOS

Por haberme dado la sabiduría y el entendimiento para poder llegar al final de micarrera, por proveerme de todo lo necesario para salir adelante y por todo lo queme ha dado.

A MIS PADRES

Por el apoyo incondicional que me brindaron a lo largo de toda la carrera, portodos los sacrificios que hicieron para que yo siguiera adelante, por sus consejosy comprensión, mil gracias.

A MIS HERMANOS

Por su cariño, apoyo y comprensión.

A MIS MAESTROS

Por todas las enseñanzas que he recibido.

A MIS ASESORES DE TESIS

A la M. en C. Atziry Magaly Ramírez Aguilera y en especial al Dr. Jorge De laTorre y Ramos por el gran apoyo brindado para la realización de este proyecto.

Ismael Guardado Dávila

iii

AGRADECIMIENTOS

A DIOS

Por ser mi creador y porque todo lo que soy, lo que tengo es regalo que el me hadado a cada momento.

A MIS PADRES

Por haberme brindado su apoyo incondicional en todos los momentos más difícilesde mi vida, así como su comprensión y sacrificio que han hecho durante micarrera, por ser las personas que me han impulsado para continuar con misestudios y con todos mis proyectos.

A MIS HERMANOS

Por su comprensión y cariño.

A MIS ASESORES DE TESIS

Al Dr. Jorge De la Torre y Ramos y a la M. en C. Atziry Magaly Ramírez Aguilerapor compartirme sus conocimientos y por ser parte fundamental de mi formaciónacadémica.

Isidro Palacios Camacho

iv

MONITOREO DE UNA ESTACIÓN METEOROLÓGICA VÍA INTERNET

CONTENIDO GENERAL Pág.

Resumen .................................................................................................................. iLista de Figuras ...................................................................................................... viLista de Tablas...................................................................................................... viiiCapítulo 1. Introducción ........................................................................................... 1

1.1. Antecedentes ............................................................................................................ 11.2. Justificación............................................................................................................... 31.3. Objetivo general ....................................................................................................... 41.4. Objetivos Específicos .............................................................................................. 41.5. Hipótesis .................................................................................................................... 51.6. Viabilidad ................................................................................................................... 5

Capítulo 2. Estaciones meteorológicas....................................................................72.1. Características generales ....................................................................................... 72.2. Clasificación de estaciones meteorológicas ........................................................ 8

2.2.1. Climatológica ..................................................................................................... 82.2.2. Agrícolas ............................................................................................................ 82.2.3 Especiales ........................................................................................................... 92.2.4 Aeronáuticas ....................................................................................................... 92.2.5. Satelitales......................................................................................................... 10

2.3. Métodos de adquisición de las variables meteorológicas ............................... 112.4. Métodos de transmisión de las variables ........................................................... 11

Capítulo 3. Etapa de transmisión ...........................................................................143.1. Tipos de sensores implementados ..................................................................... 14

3.1.1. Sensor de temperatura NRG 110S.............................................................. 153.1.2. Sensor de presión atmosférica BP20 .......................................................... 153.1.3. Sensor de velocidad de viento NRG 40C ................................................... 163.1.4. Sensor de dirección del viento NRG 200P ................................................. 173.1.5. Sensor de humedad relativa RH-5............................................................... 173.1.6. Sensor de radiación solar CMP3 ................................................................. 18

3.2. Acondicionamiento de la señal de los sensores ............................................... 193.2.1. Acondicionamiento de las señales............................................................... 20

3.3. Conversión analógica/digital (A/D) ...................................................................... 253.4. Transmisor RCT-433-AS ...................................................................................... 27

Capítulo 4. Etapa de recepción y despliegue de datos ..........................................314.1. Receptor RCR-433-RP ......................................................................................... 324.2. PIC16F84A.............................................................................................................. 344.3. Interfaz con la PC................................................................................................... 364.4. Despliegue de Datos ............................................................................................. 41

Capítulo 5. Pruebas y Resultados..........................................................................465.1. Pruebas de sensores............................................................................................. 465.2. Pruebas de Transmisión y Recepción ................................................................ 485.3. Pruebas en LabVIEW ............................................................................................ 485.4. Pruebas con la página Web. ................................................................................ 50

v

5.5. Pruebas con sistema completo............................................................................ 505.6. Resultados .............................................................................................................. 51

Conclusiones .........................................................................................................60Trabajo a Futuro ....................................................................................................60Bibliografía.............................................................................................................62

APENDICESApéndice A. Programa del PIC16F877A................................................................ 65Apéndice B. Programa del PIC16F84A.................................................................. 72Apéndice C. Hoja de datos de sensores................................................................ 75Apéndice D. Módulos RF ....................................................................................... 87

vi

LISTA DE FIGURAS Pág.

Figura 1.1 Barómetro construido por Torricelli en 1643. ............................................... 1Figura 1.2 Receptor telegráfico de Morse. ...................................................................... 2

Figura 2.1 Diagrama de bloques de una estación meteorológica automática........... 7Figura 2.2 Diagrama de los posibles sistemas de transmisión de datos.................. 12

Figura 3.1 Diagrama de bloques para el diseño e implementación de la etapa detransmisión..................................................................................................... 14

Figura 3.2 Sensor de temperatura #110S. .................................................................... 15Figura 3.3 Sensor de presión atmosférica NRG BP20. ............................................... 16Figura 3.4 Sensor de velocidad de viento NRG 40C. .................................................. 16Figura 3.5 Sensor NRG 200P. ......................................................................................... 17Figura 3.6 Sensor RH-5. ................................................................................................... 18Figura 3.7 Piranómetro CMP3. ........................................................................................ 18Figura 3.8 Encapsulado PDIP de 40 pines del PIC16F877A. .................................... 19Figura 3.9 Circuito LM2907 utilizado para el acondicionamiento de la señal del

anemómetro................................................................................................... 21Figura 3.10 Caracterización de sensor con el LM2907. .............................................. 21Figura 3. 11Calibración de la veleta. .............................................................................. 23Figura 3.12 Diagrama de conexiones para la amplificación de la señal del sensor

de radiación solar. ........................................................................................ 24Figura 3.13 Pruebas con LM324. .................................................................................... 24Figura 3.14 Comportamiento del LM324 en OrCad. .................................................... 25Figura 3.15 Diagrama de flujo del código del PIC16F877A........................................ 26Figura 3.16 Transmisor RCT-433-AS............................................................................. 27Figura 3.17 Señal modulada con OOK Señal modulada con OOK utilizada por el

transmisor RCT-433-AS. ............................................................................. 28Figura 3.18 Circuito típico para el transmisor RCT-433.92-AS.................................. 28Figura 3.19 Circuito de etapa de transmisión. .............................................................. 29

Figura 4.1 Diagrama a bloques del sistema de recepción y despliegue deinformación..........................................................................................31

Figura 4.2 Receptor RCR-433-RP. ........................................................................32Figura 4.3 Módulo receptor RCR-433-RP..............................................................33Figura 4.4 Encapsulado PDIP de 18 pines del PIC16F84A. ..................................34Figura 4.5 Diagrama de flujo del código del PIC16F84A. ......................................35Figura 4.6 Sistema NI-ELVIS. ................................................................................37Figura 4.7 Diagrama de flujo del programa desarrollado en LabVIEW. .................38Figura 4.8 Etapa de sincronización del instrumento virtual con el sistema de

recepción.............................................................................................39Figura 4.9 Comparación entre señal de entrada y código de sensor. ....................39Figura 4.10 Obtención de valores reales para sensor de dirección de viento........40Figura 4.11 Promedio de datos en LabVIEW.........................................................41

vii

Figura 4.12 Pantalla principal de la página Web....................................................42Figura 4.13 Panel frontal del monitoreo climático. .................................................43Figura 4.14 Panel frontal de datos técnicos. ..........................................................43Figura 4.15 Panel frontal de donde estamos. ........................................................44Figura 4.16 Diagrama a bloques del sistema desarrollado.…….....………………..44

Figura 5.1 Comportamiento del sensor de dirección de viento. ................................. 47Figura 5.2 Diagrama de bloque para la lectura de sensores de temperatura,

presión atmosférica, humedad relativa y velocidad de viento............... 48Figura 5.3 Diagrama de bloque para la lectura del sensores de velocidad de

viento. ............................................................................................................. 49Figura 5.4 Indicadores de los puntos cardinales. ........................................................ 50Figura 5.5 Temperatura, 26-09-09, Estación de Agronomía. ..................................... 51Figura 5.6 Temperatura, 26-09-09, Estación de Guadalupe. ..................................... 52Figura 5.7 Temperatura, 26-09-09, Estación de Ingeniería. ....................................... 52Figura 5.8 Temperatura, 27-09-09, Estación de Agronomía. ..................................... 52Figura 5.9 Temperatura, 27-09-09, Estación de Guadalupe. ..................................... 53Figura 5.10 Temperatura, 27-09-09, Estación de Ingeniería...................................... 53Figura 5.11 Humedad Relativa, 26-09-09, Estación de Agronomía. ......................... 54Figura 5.12 Humedad Relativa, 26-09-09, Estación de Guadalupe. ......................... 54Figura 5.13 Humedad Relativa, 26-09-09, Estación de Ingeniería............................ 54Figura 5.14 Radiación Solar, 26-09-09, Estación de Agronomía............................... 55Figura 5.15 Radiación Solar, 26-09-09, Estación de Guadalupe. ............................. 55Figura 5.16 Radiación Solar, 26-09-09, Estación de Ingeniería. ............................... 56Figura 5.17 Variación de la presión atmosférica respecto a la altitud [40]............... 57Figura 5.18 Presión Atmosférica, 26-09-09, Estación de Ingeniería......................... 58Figura 5.19 Velocidad del Viento, 26-09-09, Estación de Ingeniería. ....................... 58Figura 5.20 Dirección del Viento, 26-09-09, Estación de Ingeniería. ........................ 59

viii

LISTA DE TABLAS Pág.

Tabla 3.1 Calibración de la veleta................................................................................... 22

Tabla 4.1 Descripción de los pines del RCR-433-RP. ................................................. 33

1

Capítulo 1. Introducción

El conocimiento de las variaciones climáticas ha sido siempre de sumaimportancia para el desarrollo de la agricultura, la navegación, las operacionesmilitares y la vida en general.

El pronóstico del tiempo es uno de los factores más importantes en nuestravida diaria ya que permite realizar ciertas tareas sabiendo que no seránimpedidas, arruinadas o complicadas por el tiempo, cuando se pueden tomarprecauciones para evitar sus consecuencias o suspenderlas hasta un momentomás propicio. Una ayuda muy importante para la medición de estos parámetros esla electrónica, mediante la cual se pueden diseñar sistemas que proporcionen lasmediciones con un amplio rango de precisión.

En este proyecto, se presenta la construcción de un sistema electrónicopara la captura, transmisión y despliegue de datos a distancia de una estaciónmeteorológica. Dicho sistema estará inicialmente instalado dentro de la UnidadAcadémica de Ingeniería Eléctrica; sin embargo, el mismo podrá serimplementado en cualquier torre de monitoreo climático lo que permitirá tenerinformación útil para el desarrollo e instalación de sistemas eólicos y fotovoltaicosen cualquier parte del estado de Zacatecas.

1.1. Antecedentes

Desde la antigüedad se tiene constancia de la observación de los cambiosen el clima, asociando el movimiento de los astros con las estaciones del año ycon los fenómenos atmosféricos. Los antiguos egipcios asociaban los ciclos decrecimiento del Nilo con los movimientos de las estrellas explicados por losmovimientos de los dioses, mientras que los babilonios predecían el tiempoguiándose por el aspecto del cielo. Galileo construyó el primer termómetro en1607, seguido de la invención del barómetro por parte de Evangelista Torricelli en1643, el cual constaba de un recipiente y un tubo lleno de mercurio (Hg) cerradoen uno de sus extremos, al invertir el tubo dentro del recipiente se formaba vacíoen la parte superior del tubo como se muestra en la figura 1.1.

Figura 1.1 Barómetro construido por Torricelli en 1643 [1].

2

El primer descubrimiento de la dependencia de la presión atmosférica enrelación a la altitud fue realizado por Blaise Pascal y René Descartes; la idea fueprofundizada luego por Edmund Halley. El anemómetro, que mide la velocidad delviento, fue construido en 1667 por Robert Hooke, mientras Horace de Saussurecontribuyó en el desarrollo de los instrumentos meteorológicos más importantes en1780 con el higrómetro, que mide la humedad del aire. Otros progresostecnológicos, que son conocidos principalmente como parte del progreso de lafísica, fueron la investigación de la dependencia del volumen del gas sobre lapresión, que conduce a la termodinámica, y el experimento de Benjamin Franklincon el volantín y el rayo. El problema de clasificar ciertas características climáticascomo las nubes y los vientos fue resuelto cuando Luke Howard y Francis Beaufortintrodujeron un sistema de clasificación de las nubes en 1802 y de la fuerza delviento en 1806, respectivamente. El verdadero punto de cambio fue la invencióndel telégrafo en 1843 que permitía intercambiar información sobre el clima avelocidades inigualables como se muestra en la figura 1.2.

Figura 1.2 Receptor telegráfico de Morse [2].

A inicios del siglo XX, los progresos en la comprensión de la dinámicaatmosférica llevaron a la creación de la moderna previsión del tiempo calculada enbases matemáticas. En los años 50, los experimentos de cálculo numérico concomputadora mostraron ser factibles. La primera previsión del tiempo realizadacon este método usaba modelos baroscópicos, y podía prever con éxito losmovimientos a gran escala de las zonas de baja presión a alta presión. En losaños 60, la naturaleza caótica de la atmósfera fue comprendida por EdwardLorenz, fundador del campo de la teoría del caos. Los avances matemáticosobtenidos en este campo fueron retomados por la meteorología y contribuyeron aestabilizar el límite de predictibilidad del modelo atmosférico. Esto es conocidocomo efecto mariposa: la evolución de los disturbios del tiempo significa un efectoen otra zona. En 1960, el lanzamiento del TIROS-1, primer satélite meteorológicoen funcionar, significó el inicio de una era de difusión global de las informacionesclimáticas [3].

3

En la actualidad, la tecnología está cada vez más cerca de los diferentessectores sociales, brindando soluciones prácticas, rápidas y eficaces a susproblemas. Hoy en día se puede establecer comunicación o controlar elcomportamiento de una gran variedad de dispositivos a grandes distancias, en untiempo casi instantáneo.

Es por ello que actualmente existen sistemas de control y monitoreoelectrónico especializados y con diversas aplicaciones tales como tarjetas deadquisición de datos, PLC’S (Circuitos Lógicos Programables) y una gran variedadde sistemas de control basados en microprocesadores, amplificadoresoperacionales y/o microcontroladores [4].

1.2. Justificación

Actualmente el estado de Zacatecas cuenta con dos redes de monitoreoclimático, la primera pertenece al Instituto Nacional de Investigaciones Forestales,Agrícolas y Pecuarias (INIFAP) [5] y la segunda pertenece al ServicioMeteorológico Nacional (SMN) [6].

• La red de monitoreo del INIFAP cuenta con 36 estaciones meteorológicasdistribuidas en varios puntos del estado de Zacatecas. Estas redes registranmediciones en tiempo real arrojando promedios cada 15 minutos de latemperatura, la humedad relativa, la humedad del follaje, la precipitación, lavelocidad del viento, la radiación solar y la dirección del viento, los datos sontransmitidos vía RF a una distancia máxima de 10 km a la base central en elCampo Experimental Zacatecas (CEZAC) donde son interpretados y publicados através de una página de Internet [5]. El principal objetivo de implementar este tipode estaciones es para obtener información que permita contribuir al desarrollo delas cadenas agroindustriales, forestales, agrícolas y pecuarias del estado,buscando el aprovechamiento y conservación de los recursos naturales.

• La red de monitoreo del SMN cuenta con dos estaciones meteorológicasautomáticas, una ubicada en el municipio de Guadalupe, Zacatecas y otra en elmunicipio de Sombrerete, Zacatecas. Dichas estaciones están equipadas consensores que permiten medir la presión atmosférica, la temperatura, la humedadrelativa, la radiación solar, la precipitación, la velocidad y dirección del viento. Lainformación de las variables meteorológicas es recopilada para hacer un promediocada 10 minutos y enviarla vía satélite en intervalos de una a tres horas porestación. Este tipo de estaciones están orientadas principalmente en proporcionarinformación sobre el estado del tiempo a escala nacional y local, que permitaidentificar fenómenos meteorológicos que puedan afectar a la población y susdistintas actividades económicas [7].

Una de las características de las estaciones meteorológicas descritasanteriormente es su elevado costo; por ejemplo las estaciones de monitoreo delINIFAP tienen un costo aproximado de 100 mil pesos por estación [5] y las del

4

SMN tienen un costo aproximado que va de unos $25,000 dólares a unos $35,000dólares [7]. Es por esto, que la propuesta de un sistema económico y de fácilimplementación con el que se puedan obtener datos meteorológicos confiables ycon un alcance de transmisión aceptable para la captura y manipulaciónrepresenta una opción altamente atractiva.

Por otro lado, los recursos renovables como son la energía solar y laenergía eólica son relativamente abundantes en el estado de Zacatecas variandosu disponibilidad dependiendo de la ubicación. Es por ello, que en éste trabajoplanteamos la necesidad de obtener mapas solares y eólicos en diferentes puntosdel estado que permitan obtener la información necesaria para poder diseñar eimplementar sistemas para la generación de energía eléctrica a través deaerogeneradores y convertidores fotovoltaicos, tomando en cuenta las mismaspotencialidades de las estaciones meteorológicas.

Debido a que las estaciones con las que cuenta el estado de Zacatecasestán orientadas principalmente a los sectores agrícolas, pecuarios y el estudiode fenómenos meteorológicos, su localización geográfica no permite arrojar datosútiles que sirvan para la generación de mapas solares y eólicos, por lo cual esindispensable un sistema de monitoreo remoto y fácil de implementar en cualquierpunto donde se desee hacer un estudio del comportamiento de las diferentesvariables meteorológicas.

Con esto se pretende aprovechar los recursos renovables de una maneraadecuada y mejorar la calidad de vida de algunos sectores de la población enZacatecas, debido a la importancia que tiene en estos momentos elaprovechamiento de las fuentes renovables de energía.

1.3. Objetivo general

El objetivo principal de este trabajo es diseñar e implementar un sistema deadquisición de datos meteorológicos con transmisión remota, que permita crearuna base de datos a la cual se pueda acceder a través de un sitio de Internet.

1.4. Objetivos Específicos

Desarrollar una interfaz en LabVIEW utilizando el módulo NIELVIS parala recepción y creación de la base de datos de las distintas variablesmeteorológicas monitoreadas.

Diseñar e implementar un sistema de adquisición de datos con losmicrocontroladores PIC16F877A y PIC16F84A y los módulos RF (RCR-433-RP, RCT-433-AS) para la transmisión e integración a la estaciónmeteorológica.

Desarrollar una página Web que permita el acceso a los datosadquiridos por los sensores de forma remota y en tiempo real.

5

1.5. Hipótesis

Es posible desarrollar un sistema de adquisición y transmisión de datosinalámbrica vía RF de bajo costo que facilite el acceso a cualquier torre demonitoreo climático además de acceder a la información por medio de un sitioWeb.

1.6. Viabilidad

Los recursos necesarios para llevar a cabo el monitoreo de la estaciónmeteorológica montada en las instalaciones de Ingeniería Eléctrica fueronproporcionados por el Cuerpo Académico “Investigación y desarrollo tecnológico”a través del proyecto FOMIX 16452 Fondo Mixto CONACYT-Gobierno del Estadoconvocatoria 2005-01, Proyecto PROMEP “Centro Tecnológico para el Estudio deenergías Alternas – CENTENAZ “y la Unidad Académica de Ingeniería Eléctrica.

Entre ellos: computadora Dell Pentium 4, NI-ELVIS I, LabVIEW versión 8.2,fuente de poder, multímetro digital, microcontroladores PIC16F877A y PIC16F84A,programador USB de microcontroladores PIC modelo PIC-600, módulos detransmisión RCT-433-AS y RCR-433-RP, Anemómetro marca NRG tipo NRG#40C, sensor de temperatura marca tipo NRG 110S, , veleta tipo 200P, sensor depresión barométrica BP20, sensor de humedad relativa RH-5%, y un piranómetromarca Kipp and Zonen tipo CMP3.

6

7

Capítulo 2. Estaciones meteorológicas

2.1. Características generales

Una estación meteorológica es una instalación destinada a medir y registrarregularmente diversas variables meteorológicas. Algunos de los parámetrosmeteorológicos más importantes a medir son: temperatura, humedad, presiónatmosférica, precipitación pluvial, velocidad y dirección del viento.

Las estaciones meteorológicas se pueden dividir en dos tipos:• Convencionales• Automáticas

Estación Meteorológica Convencional: Esta estación típicamente cuentacon instrumentos convencionales de lectura directa o con registro en papel, pero lacomplejidad y delicadeza en su uso hacen dudar su efectividad.

Estación Meteorológica Automática (E.M.A.): En esta estación las lecturasson acondicionadas para luego ser procesadas mediante microcontroladores omicroprocesadores y transmitidas a través de un sistema de comunicaciónalámbrico ó inalámbrico (radio, satélites, teléfono, etc.) en forma automática. Laestación automática funciona de manera autónoma las 24 horas del día a lo largode todo el año, utilizando un sistema de alimentación autónomo basado enbaterías recargables y paneles solares [8].

En la figura 2.1, se muestra un diagrama de bloques de una estaciónmeteorológica automática:

Figura 2.1 Diagrama de bloques de una estación meteorológica automática.

8

2.2. Clasificación de estaciones meteorológicas

Las estaciones meteorológicas se pueden subdividir en varios tipos segúnsean los objetivos y los parámetros que se deseen medir, entre las principalespodemos citar las siguientes:

• Climatológicas• Agrícolas• Especiales• Aeronáuticas• Satelitales

2.2.1. Climatológica

Una estación climatológica es un área destinada a la obtención y mediciónde los datos generados por instrumentos que registran los distintos fenómenosmeteorológicos que se producen en la atmósfera. Esta estación comparte losdatos meteorológicos para predecir el clima en un lugar o el comportamientoestadístico de los mismos durante los años.

Las observaciones que se efectúan se realizan en forma horariaremitiéndolas inmediatamente a un centro recolector de datos, mediante mensajescodificados, por la vía de comunicación más rápida disponible. Estasobservaciones se utilizan para una multitud de fines meteorológicos, en general entiempo real y especialmente para la elaboración de mapas meteorológicos [9].

Entre los usos de estas estaciones podemos enlistar los siguientes:

• Instalación en hogares, casas de campo y ranchos.• Escuelas de educación básica, media y media superior donde se imparten

asignaturas relacionadas al medio ambiente y para el uso de datos realesque permitan determinar el clima en un lugar y el comportamiento delestado del tiempo a través de los años.

• Centros de investigación para llevar registros del clima.• Empresas cuyos procesos se vean afectados o beneficiados por las

condiciones meteorológicas (aserraderos, invernaderos, etc.).• Dependencias gubernamentales para registrar los fenómenos naturales y

prever posibles situaciones de riesgo de la población.

2.2.2. Agrícolas

Una estación agroclimática tiene el propósito de proporcionar unconocimiento de las condiciones del clima en relación con el desarrollo ycrecimiento de los cultivos y su manejo.

9

El desarrollo tecnológico ha permitido demostrar que la variación del climaafecta la mayoría de los procesos físicos y biológicos que determinan la calidad ycantidad de la producción agrícola. Conocer el clima oportunamente o conanticipación suficiente es necesario para mejorar la producción o reducir efectosadversos para el cultivo.

Utilizar de manera oportuna y apropiada los registros climatológicospermitiendo, entre otros posibles, los siguientes beneficios agrícolas:

a) Realizar un riego eficiente.b) Mejorar el control de plagas.c) Mejorar la fertilización durante el desarrollo de la planta.d) Pronosticar heladas.

Estos beneficios representan para el agricultor mayor producción, menorcosto de cultivo, mayor superficie cultivable, producto de mayor calidad, todo locual significa en términos finales, mayor ganancia, menores gastos o menosproblemas para el productor agrícola y la población en general.

Asimismo, estos beneficios son de gran importancia en términos ecológicospor las implicaciones que tienen sobre el uso racional de los recursos naturalescomo el agua y la reducción de la contaminación del suelo y del agua poragroquímicos [10].

2.2.3. Especiales

Este tipo de estaciones se usan entre otras aplicaciones para la medida devariables en mares y océanos. En estas estaciones especiales se utilizan sistemasdispuestos en boyas meteorológicas.

Otras instalaciones meteorológicas menos comunes disponen deinstrumental de sondeo remoto como radar meteorológico para medir laturbulencia atmosférica y la actividad de tormentas, perfiladores de viento ysistemas acústicos de sondeo de la estructura vertical de temperaturas.Alternativamente, estas y otras variables pueden obtenerse mediante el uso deglobos sonda [11].

2.2.4. Aeronáuticas

Las estaciones aeronáuticas son observaciones especiales que se efectúangeneralmente en aeropuertos y aeródromos civiles o militares, aunque se hacentambién observaciones que se efectúan en varias horas del día enviándolasinmediatamente a un centro recolector de datos. Estas observaciones setransmiten a otros aeródromos y con frecuencia a los aviones en vuelo, con lafinalidad de contribuir y proveer un normal desarrollo de la navegación aérea

10

segura, regular y eficiente así como para las actividades en tiempo real de laindustria de la aviación, por medio de la transmisión de informaciones destinadasa preparar el vuelo y otorgar seguridad a las aeronaves y en caso de desastre,proveen la información indispensable que permita tomar medidas necesarias parauna rápida búsqueda y salvamento de los posibles sobrevivientes [9].

Uno de los objetivos principales de las estaciones aeronáuticas es permitir alos operadores de las líneas aéreas utilizar directamente los pronósticosmeteorológicos para el plan de vuelo y las advertencias exactas del tiempoadverso incluyendo tempestades, formación de hielo, turbulencias y otras durantelas diferentes fases de vuelos.

La disponibilidad de información meteorológica fiable es un factor decisivopara las operaciones de vuelo y en particular para la elección de la ruta y nivel devuelo. Esta información permite reducir la carga de combustible, reducir el tiempode duración del vuelo, elegir las componentes favorables del viento, así de estamanera disminuyen los costos operativos logrando muy importantes ahorrosgracias a estas predicciones concretas.

Los sensores con los que suelen contar las estaciones meteorológicasaeronáuticas son de: temperatura del aire y del punto de rocío, dirección y fuerzadel viento, presión barométrica, precipitación, alcance visual en la pista y sensorpara medir la altitud de las nubes [12].

2.2.5. Satelitales

Un satélite meteorológico es un tipo de satélite artificial que se utilizaprincipalmente para supervisar el tiempo atmosférico y el clima de la Tierra.

Los satélites meteorológicos se han convertido en una de las herramientasmás prácticas que ha producido la tecnología espacial para la predicción deltiempo desde que empezaron a lanzarse en abril de 1960. El primer satélitemeteorológico puesto en órbita fue el TIROS-1, el cual constató la enormecapacidad informativa aportada para el estudio de la atmósfera, así como laimportancia de observar la Tierra desde el espacio.

La configuración básica de un satélite meteorológico, consiste en unacámara con la función de fotografiar electrónicamente los sistemas nubosos. Lainformación recibida es enviada rápidamente a la Tierra, debido a que lascondiciones meteorológicas pueden variar en poco tiempo. La transmisión deestas imágenes, permiten la suficiente resolución para el trabajo meteorológico.

Existen dos tipos básicos de satélites meteorológicos, dependiendo de suórbita: los geoestacionarios y los polares.

11

Los satélites meteorológicos geoestacionarios orbitan alrededor de la Tierrasobre el ecuador a unas altitudes de 35.880 km. Debido a su órbita, permanecenestáticos respecto al movimiento de rotación terrestre y por tanto pueden grabar otransmitir imágenes del hemisferio que tienen debajo continuamente con susensores de luz visible e infrarrojos.

Los satélites de órbita polar rodean la Tierra a una altitud típica de 850 kmde norte a sur o viceversa, pasando sobre los polos en su vuelo. Los satélitespolares están en órbitas heliosíncronas, lo que significa que pueden observarcualquier lugar de la Tierra y ver dos veces al día un lugar con las mismascondiciones generales de luz debido al tiempo solar casi constante. Además, lossatélites de órbita polar ofrecen mayor resolución que sus homólogosgeoestacionarios debido a su cercanía con la Tierra [13].

2.3. Métodos de adquisición de las variables meteorológicas

En los principales sistemas de adquisición se implementan diferentesdispositivos para llevar a cabo la captura de las señales provenientes de lossensores para su posterior procesamiento y almacenamiento. Entre los másutilizados podemos encontrar los dataloggers, microprocesadores,microcontroladores y circuitos lógicos programables (PLC). Algunos de losfactores que intervienen en la elección de los sistemas a utilizar son el costo delequipo, la capacidad de almacenamiento y el procesamiento de los datos.

2.4. Métodos de transmisión de las variables

En la actualidad los principales sistemas de transmisión remota son:

• RF (Radio Frecuencia).• Satélite.• GSM (Global System for Mobile)/GPRS (General Packet Radio Service).• Red Inalámbrica (WiFi, WiMax).

En la figura 2.2 se muestra un esquema general de las posibles formas detransmisión de datos, desde las estaciones remotas hacia una computadoracentral.

12

Figura 2.2 Diagrama de los posibles sistemas de transmisión de datos [14].

Dos aspectos prácticos, que limitan a menudo la elección del sistema detransmisión son el alcance de la transmisión y el costo de la instrumentacióninstalada. Teniendo en cuenta estas consideraciones, algunas ventajas ydesventajas de los principales sistemas de transmisión se describen acontinuación:

La radiofrecuencia tiene la posibilidad de mandar y recibir muchainformación con un reducido costo de la transmisión.

La ventaja fundamental de los satélites es su gran cobertura espacial ytemporal. Su inconveniente radica fundamentalmente en el elevado costo de lainstalación, operación y mantenimiento del sistema. Respecto a las redes WiFi(Wireless Fidelity) destaca su elevada velocidad de transmisión, pero una de lasdesventajas es su limitado rango de cobertura, siendo éste del orden 200 metros.

La ventaja fundamental de la tecnología WiMax (Worldwide Interoperabilityfor Microwave Access) sobre WiFi radica en el hecho de su mayor cobertura,siendo del orden de 50 km. El inconveniente fundamental del WiMax es el altocosto de la instalación.

Algunas de las ventajas de la tecnología GSM/GPRS es el costo decomunicación muy reducido, la tecnología GPRS permite estar siempre conectadoy facilidad de llevar a cabo la instalación. Por otro lado, una de las desventajas esque su cobertura depende de la disponibilidad de una conexión telefónica [14].

13

14

Capítulo 3. Etapa de transmisión

Debido a que la mayoría de las estaciones meteorológicas se encuentranen lugares alejados y algunas se montan a una altura considerable (mayor a 10metros), es necesaria la utilización de un sistema de control para la adquisición delas variables climáticas así como un sistema de transmisión que sea fiable parapoder enviar los datos capturados a la estación de trabajo.

En este capítulo se describe cada uno de los sensores utilizados, la etapade acondicionamiento de las señales para la conexión con el microcontrolador, elprograma necesario para la conversión analógica/digital (A/D), y la etapa detransmisión.

En la figura 3.1 se muestra el diagrama de bloques de las fases necesariaspara el diseño e implementación de la etapa de transmisión.

Caracterizaciónde sensores

Acondicionamientode señales

Programación dePIC16F877A

Codificación deseñal

Transmisión

Figura 3.1 Diagrama de bloques para el diseño e implementación de la etapa de transmisión.

3.1. Tipos de sensores implementados

Los sensores implementados para la realización del proyecto son:anemómetro marca NRG tipo NRG 40C, sensor de temperatura marca tipo NRG110S, veleta tipo 200P, sensor de presión barométrica BP20, sensor de humedadrelativa RH-5, y un piranómetro marca Kipp and Zonen tipo CMP3.

15

3.1.1. Sensor de temperatura NRG 110S

La temperatura es la medida del contenido de calor de un cuerpo o delmedio ambiente. La temperatura se mide típicamente con termómetros, los cualespueden ser calibrados de acuerdo a una selección de escalas que dan lugar a lasunidades de medición de la temperatura. En el Sistema Internacional de Unidades(SI) la unidad de temperatura es el kelvin, sin embargo fuera del ámbito científicoes común el uso de otras escalas de temperatura como la escala Celsius [15].

Para medir la temperatura nuestro sistema utiliza un sensor de la compañíaNRG tipo 110S el cual proporciona una señal de salida de 0-2.5V. De acuerdo adatos proporcionados por el fabricante, el rango de operación es de -40 ºC hasta52.5 ºC y opera con una alimentación de 4 hasta 35 VCD. Este sensor es idealpara supervisar la temperatura del aire en sitios alejados como en zonas donde laformación de hielo puede ser un factor que influya, ya que cuenta con unaprotección de seis placas que permite una medida exacta de la temperatura delmedio ambiente, también trae integrado un montaje universal para poder serinstalado rápidamente en cualquier torre. El sensor opera bajo el principio de untermistor debido a que se comporta como una resistencia que varía su valor deforma inversamente proporcional a la temperatura del medio al que está expuesto,es decir, si la temperatura del medio decrece, su resistencia aumenta y por elcontrario, si la temperatura del medio aumenta, su resistencia decrece. En la figura3.2 se muestra físicamente el sensor de temperatura [16].

Figura 3.2 Sensor de temperatura #110S.

3.1.2. Sensor de presión atmosférica BP20

La presión atmosférica es la presión ejercida por el aire en cualquier puntode la atmósfera, su unidad de medida en el SI es el pascal (Pa). Cuando el aireestá frío desciende, haciendo aumentar la presión y provocando estabilidad.Cuando el aire está caliente asciende haciendo bajar la presión y provocandoinestabilidad [17].

16

El sensor de presión atmosférica BP20 de NRG Systems (Figura 3.3)provee una señal de salida de voltaje proporcional a la presión absoluta, puede seralimentado con un mínimo de 7V y un máximo de 35V; entrega una señalanalógica con un máximo de 5V. Presenta una estructura resistente compuestade PVC la cual hace del BP20 un sensor ideal para recoger datos de la presiónabsoluta en los sitios alejados y condiciones climáticas desfavorables [18]. ElBP20 se comporta como una resistencia que varía proporcionalmente a la presiónatmosférica.

Figura 3.3 Sensor de presión atmosférica NRG BP20.

3.1.3. Sensor de velocidad de viento NRG 40C

El viento está definido como el aire en movimiento y se describe por doscaracterísticas: la velocidad y la dirección. El instrumento que se usa para medir lavelocidad del viento se llama anemómetro y sus unidades son m/s o km/hr [19].

El anemómetro NRG 40C (Figura 3.4) es un sensor capaz de registrarvelocidades de viento con un rango de 1 m/s hasta 96 m/s, permite una respuestarápida a las ráfagas y a los períodos de calma. La señal de salida es una ondasenoidal con una frecuencia linealmente proporcional a la velocidad del viento y surango de salida es de 0-125 Hz [20]. El equivalente eléctrico que describe elprincipio de funcionamiento del sensor corresponde a una fuente de voltajevariable.

Figura 3.4 Sensor de velocidad de viento NRG 40C.

17

3.1.4. Sensor de dirección del viento NRG 200P

Se le llama dirección del viento al punto del horizonte de donde proviene elmismo. Se expresa en grados de azimut o puntos cardinales Norte (N), Sur (S),Este (E), Oeste (O), Noreste (NE), Noroeste (NO), Sureste (SE), Suroeste (SO)con respecto al norte magnético [19]. El instrumento que se usa para medir ladirección es la veleta.

El sensor NRG 200P (Figura 3.5) está compuesto por una veleta conectadadirectamente a un potenciómetro de precisión que proporciona un voltaje de salidaanálogo que va de los 0-5V y es directamente proporcional a la dirección delviento. Su voltaje de alimentación puede ser de 1-15V [21].

Figura 3.5 Sensor NRG 200P.

3.1.5. Sensor de humedad relativa RH-5

Se denomina humedad ambiental a la cantidad de vapor de agua presenteen el aire, se puede expresar de forma absoluta o de forma relativa tambiénllamada grado de humedad. La humedad relativa (HR) es la humedad quecontiene una masa de aire ambiental en relación con la máxima humedad absolutaque podría admitir sin producirse condensación, conservando las mismascondiciones de temperatura y presión atmosférica [22].

El sensor RH-5 (Figura 3.6) usa una resistencia de polímero la cual proveeexcelente linealidad y sensibilidad con una rápida respuesta y gran estabilidad.Puede ser alimentado con un voltaje de 10-36 VCD y el rango de la señal desalida es un nivel de voltaje proporcional a la humedad relativa, esto es de 0-5Vpara niveles de 0-100% HR. Cuenta también con una estructura de aluminio yacero inoxidable para mayor duración a condiciones extremas del clima [23].

18

Figura 3.6 Sensor RH-5.

3.1.6. Sensor de radiación solar CMP3

La radiación solar incidente sobre la superficie de la tierra se mide con elpiranómetro que es un instrumento meteorológico diseñado para medir lairradiación solar en un campo de visión de 180 grados [24]. La unidad de medidaes el W/m².

El piranómetro CMP3 de Kipp & Zonen consiste en una pila termoeléctrica(termopar), una cubierta, una bóveda, y un cable. La pila termoeléctrica estácubierta con una capa absorbente negra que permite incrementar la sensibilidaddel dispositivo absorbiendo la radiación para convertirla en calor. La diferenciaresultante de la temperatura es convertida en un voltaje de entre 0-15mV paraniveles de irradiación de 0-1300 W/m².

El piranómetro CMP3 tiene una sensibilidad espectral plana con un rangoentre 310 y 2800 nanómetros, por lo que puede ser utilizado para medir la mayoríade los tipos de luz artificial (lámparas de xenón, las lámparas del halógeno, etc.)así como la luz solar. En la figura 3.7 se muestra una imagen de dicho tipo depiranómetro [25].

Figura 3.7 Piranómetro CMP3.

19

3.2. Acondicionamiento de la señal de los sensores

La señal proporcionada por cada uno de los sensores no puede serutilizada directamente para transmitirla ya que en algunos casos (p. ej.anemómetro) no es una señal eléctrica adecuada para el transmisor RF. Eldispositivo que se utiliza en este proyecto para la captura, procesamiento yadecuación de las señales de los sensores y el transmisor RF es elmicrocontrolador.

Un microcontrolador es un circuito integrado programable que contiene lastres unidades funcionales de una computadora: CPU, Memoria y Unidades de E/S.Se emplea para controlar el funcionamiento de una tarea determinada y, debido asu reducido tamaño, suele ir incorporado en el propio dispositivo al que gobierna.Esta última característica es la que le confiere la denominación de controladorincrustado (embedded controller). Una vez programado y configurado elmicrocontrolador solamente sirve para gobernar la tarea asignada [26].

El PIC16F877A corresponde a la gama media de la familia de microchip yse opta por la implementación de éste microcontrolador debido a su bajo consumode corriente, su amplio campo de implementación y buena funcionalidad.

En la figura 3.8 se muestra el microcontrolador PIC 16F877A utilizado parala captura de la señal de los sensores, la conversión A/D y el envío de los bits altransmisor RF.

Figura 3.8 Encapsulado PDIP de 40 pines del PIC16F877A.

20

El PIC16F877A cuenta con un convertidor analógico-digital que permitetener hasta 8 entradas analógicas y realizar la conversión con una resolución de10 bits. Eso significa que el rango es de 0-1023, como el voltaje de referenciautilizado para la conversión es de 5V, entonces 0-5V se representan como 0-1023en formato digital, por lo tanto, el voltaje mínimo al cual el microcontrolador essensible es de 4.88mV. Sin embargo, para este proyecto y con el fin de simplificarla programación del código, sólo fueron utilizados los 8 bits más significativos parala conversión de cada sensor (resolución de 19.55mV).

3.2.1. Acondicionamiento de las señales

Para la conexión de los sensores al microcontrolador se utilizan 6 entradasanalógicas una para cada sensor descrito anteriormente. Sin embargo, sóloalgunos necesitan una etapa de acondicionamiento de la señal ya que estodepende de las características eléctricas del mismo.

En el caso del monitoreo de temperatura, el sensor entrega un voltajedirectamente proporcional a la temperatura que se está midiendo, por lo que sólose requiere realizar la siguiente conversión [27]:

( 55.55) 86.38ºTemperatura Voltaje C= × − ……………… (1)

Para el caso del sensor de presión no fue necesaria una etapa deacondicionamiento ya que provee una señal de salida de voltaje proporcional a lapresión absoluta, sólo es necesario aplicar la siguiente fórmula [28]:

( 21.79) 10.55Presión Absotula KPa Voltaje = × + ……………….. (2)

Para el caso del monitoreo de la velocidad del viento fue necesaria la conversiónde la señal de frecuencia proporcionada por el sensor a un voltaje. Se seleccionóel circuito integrado LM2907 para efectuar dicha conversión debido a que el voltajeque entrega a la salida es directamente proporcional a la frecuencia de entrada. Laconfiguración utilizada se muestra en la figura 3.9.

21

Figura 3.9 Circuito LM2907 utilizado para el acondicionamiento de la señal del anemómetro.

Para confirmar la linealidad en la salida de la etapa de acondicionamientose realizaron pruebas a diferentes frecuencias y se tomaron las lecturas devoltajes proporcionadas por dicho circuito integrado. En la figura 3.10 se muestranlos resultados de la caracterización.

Figura 3.10 Caracterización de sensor con el LM2907.

0 20 40 60 80 100 1200

2

4

6

8 Valores medidos Ajuste Lineal

Volta

je d

e Sa

lida

Frecuencia (Hz)

22

Como se observa en la gráfica anterior en el rango de frecuencias de0-107Hz se tiene una respuesta de voltaje que es prácticamente lineal, éste es elrango en que trabaja nuestro circuito, al pasar esa frecuencia se nota unasaturación en la salida de voltaje, por lo tanto, la velocidad máxima que se puedemedir es de 82.205 m/s. Se puede entonces utilizar la fórmula siguiente [29] parala conversión:

( 0.765) 0.35m

Hzs

= × + ………………...(3)

Debido a que el sensor puede medir velocidades de viento con un rango de1-96m/s, las velocidades menores a 1m/s son despreciables lo que limita lafrecuencia mínima medible a 0.85Hz.

En lo que corresponde al acondicionamiento de la señal para el monitoreode la dirección del viento se realiza una calibración del sensor para determinar elrango de voltaje producido para los diferentes puntos cardinales. Los resultadosde esta prueba se muestran en la tabla 3.1.

Tabla 3.1 Calibración de la veletaORIENTACIÓN Voltaje (Volts)

Dirección Grados V mín. V máx.Norte 337.6-22.5 4.69 0.31

Noreste 22.6-67.5 0.32 0.93Este 67.6-112.5 0.94 1.56

Sureste 112.6-157.5 1.57 2.18Sur 157.6-202.5 2.19 2.81

Suroeste 202.6-247.5 2.82 3.43Oeste 247.6-292.5 3.44 4.06

Noroeste 292.6-337.5 4.07 4.68

Como se puede observar en la figura 3.11 los valores de voltaje medidosson lineales con respecto a la orientación, por lo que no fue necesario efectuaralgún acondicionamiento. El voltaje de salida del sensor es alimentadodirectamente al puerto de entrada del microcontrolador y el programa desarrolladoen LabVIEW será el encargado de procesar ésta información y con ello determinarla dirección del viento.

23

Figura 3. 11 Calibración de la veleta.

Para el sensor de HR no es necesaria la etapa de acondicionamiento yaque la señal de voltaje es directamente proporcional a la HR, es por ello que soloes necesario aplicar la fórmula [30]:

% 20Humedad Relativa Voltaje = × …………….. (4)

Finalmente, para el sensor de radiación solar se determina la necesidad deamplificar la señal de salida del sensor debido a que el máximo voltaje entregadoes de 15mV y la resolución mínima del microcontrolador es de 19.55mV. Sedecidió utilizar un amplificador operacional tipo LM324 en configuración noinversor con ganancia calculada de 101. En la figura 3.12 se muestra el diagramade conexiones del circuito mientras que el cálculo de ganancia se realizó utilizandola ecuación (5) para este tipo de configuraciones [31].

+=

1

21R

RVV io ………………………. (5)

24

Figura 3.12 Diagrama de conexiones para la amplificación de la señal del sensor deradiación solar.

Para comprobar el funcionamiento, se realizan pruebas con el circuitopropuesto y una fuente de voltaje variable, los resultados obtenidos (figura 3.13)muestran el comportamiento lineal del circuito con una amplificación de 100 veces.

0 5 10 15 20 25 30 35 40

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

Volta

je S

alid

a (V

)

Voltaje Entrada (mV)

Curva Experimental Ajuste Lineal

Figura 3.13 Pruebas con LM324.

25

También se realiza una simulación en OrCad para comparar las pruebasrealizadas, en la figura 3.14 se muestra el comportamiento ideal del amplificador.Al comparar las figuras 3.13 y 3.14 se observa una disminución en la amplificacióndel voltaje de salida esto se debe a que los componentes utilizados en la prácticapueden tener un valor mayor o menor al establecido (tolerancia), pero se puedeapreciar un comportamiento lineal con pérdidas que pueden ser despreciadas.

Figura 3.14 Comportamiento del LM324 en OrCad.

3.3. Conversión analógica/digital (A/D)

Para efectuar la conversión A/D, se requiere crear un programa en elmicrocontrolador que esté sincronizado con el receptor con el fin de que no existapérdida de datos al transmitir; debido a esto, el primer paso del programa esenviar un código que indica el inicio de transmisión, dicho código corresponde almáximo valor hexadecimal que se puede representar con 8 bits (FF), debido a queel transmisor que más adelante se describe sólo puede transmitir 4 bitssimultáneamente primero se envían los 4 bits menos significativos al puerto desalida y en seguida se tiene un tiempo de espera de 0.5s lo que asegura lacaptura del dato en la PC y posteriormente envía los más significativos, se optapor este valor debido a que es poco probable que algún sensor entregue estevalor al realizarse la conversión, lo mismo ocurre para los códigos de cada sensor(FE, FD, FC, FB, FA, F9), enseguida se envía el primer código de sensor quecorresponde al de temperatura y luego se envía la conversión A/D. Este procesose repite hasta que se termina con la conversión del último sensor volviéndose arepetir el proceso. En la figura 3.15 se muestra el diagrama de flujo para realizar laconversión A/D.

V_V1

0V 2mV 4mV 6mV 8mV 10mV 12mV 14mV 16mVV(U1A:OUT)

0V

0.5V

1.0V

1.5V

2.0V 2.0V

1.5V

1.0V

0.5V

0V0mV 2mV 4mV 6mV 8mV 10mV 12mV 14mV 16mV

Voltaje de Entrada

Volta

je d

e Sa

lida

26

Figura 3.15 Diagrama de flujo del código del PIC16F877A.

27

El programa para la conversión se muestra en el apéndice A.

3.4. Transmisor RCT-433-AS

Para la transmisión de los datos se decide utilizar un transmisor tipo RCT-433-AS el cual emite una señal de radiofrecuencia de 433.93MHz [32] en formatodigital. El dispositivo transmisor consta de cuatro pines los cuales identificados deizquierda a derecha corresponden a la antena, tierra (GND), entrada de datos yvoltaje de alimentación (Vcc).

En la figura 3.16 se observa el esquemático del circuito transmisor RF consus respectivos pines.

Figura 3.16 Transmisor RCT-433-AS.

Este tipo de transmisores utilizan una modulación tipo ASK (OOK) y unvoltaje de operación de 1.5V a 12V.

La modulación ASK (Amplitudes-shift keying), es una modulación deamplitud donde la señal moduladora (datos) es digital. Los dos valores binarios serepresentan con dos amplitudes diferentes y es usual que una de las dosamplitudes sea cero; es decir uno de los dígitos binarios se representa mediante lapresencia de la portadora a amplitud constante, y el otro dígito se representamediante la ausencia de la señal portadora, si uno de los valores es cero se lellama OOK (On-Off keying) [33]. Cuando se está enviando un 0 lógico, el RCT-433-AS está apagado, en este estado, la corriente del transmisor es muy baja,menos que 1mA. Cuando se está enviando un 1 lógico el consumo de corrientedel módulo transmisor es de 4.5mA con una fuente de alimentación 3V, estatransmisión es apropiada para el sistema ya que el consumo de corriente es muybajo.

La señal modulada se representa en la figura 3.17:

28

Figura 3.17 Señal modulada con OOK Señal modulada con OOK utilizada por el transmisorRCT-433-AS.

En la figura 3.18 se muestra el circuito típico recomendado por el fabricantepara la utilización del módulo RCT-433-AS.

Figura 3.18 Circuito típico para el transmisor RCT-433.92-AS.

Como se observa en la figura 3.18 el fabricante recomienda la utilización delintegrado HT12E para la conexión con el módulo RF, este dispositivo es uncodificador usado para aplicaciones de control remoto el cual permite codificar lainformación que consta de N bits de dirección los cuales se pueden variarmodificando los estados lógicos de los interruptores (dip switch) en los pines 1-8 y

29

12-N bits de datos, esta información es transmitida junto a los bits de cabecera[34].

Entre las características importantes del integrado HT12E se encuentran:

- Voltaje de operación entre 2.4 a 12 V.- Baja potencia y alta inmunidad a ruido.- Mínima transmisión de palabras, cuatro palabras para HT12E.- Aplicaciones en sistemas de alarma, garajes, controles remotos, etc.

El codificador comienza con la transmisión de 4 bits por ciclo cuando estahabilitado TE (Transmisión Activada), una vez que es habilitado el codificadorretorna un uno lógico a la salida para comenzar con el envió de los datos altransmisor.

El circuito completo para la transmisión se muestra en la figura 3.19, paraasegurar la alimentación correcta del circuito transmisor, se usa una batería de12V para alimentar los sensores y se usa un regulador a 5V para el transmisor, elsensor de dirección del viento y el microcontrolador por ser el voltaje máximo quese le puede aplicar.

Figura 3.19 Circuito de etapa de transmisión.

A lo largo de este capítulo se mostró la caracterización de los sensores,para algunos de ellos se necesitó una etapa de acondicionamiento indispensablepara la conexión al microcontrolador, también se desarrolló un programa que haceposible la conversión A/D para cada uno de los sensores para después realizar latransmisión.

30

31

Capítulo 4. Etapa de recepción y despliegue de datos

En el capítulo anterior se describió la etapa de transmisión del sistema asícomo cada uno de los componentes utilizados. Ahora corresponde mostrar laetapa de recepción y a su vez la construcción de la interfaz para mostrar los datos.

La etapa de recepción se compone de un circuito receptor encargado derecibir los datos y a su vez enviarlos a un decodificador. Después de hacer ladecodificación, los datos son procesados por un microcontrolador de tal maneraque se puedan enviar a una tarjeta de adquisición, la cual permite hacer la interfazcon la PC.

Para la construcción de la interfaz se diseña un programa desarrollado enLabVIEW el cual es responsable de controlar la lectura de la información enviadaa la tarjeta de adquisición, interpretar y crear una base de datos dentro de la PC.Por último se hace un despliegue de los datos en una página de internet.

En la figura 4.1 se muestra el diagrama a bloques de las etapas requeridaspara la recepción y el despliegue de datos.

Figura 4.1 Diagrama a bloques del sistema de recepción y despliegue de información.

32

4.1. Receptor RCR-433-RP

Una de las funciones del receptor es extraer el mensaje deseado de laseñal recibida a través del canal de comunicación, el cual está definido por el tipode transmisión que se utiliza. Aunque la amplificación de la señal es una de lasprimeras operaciones desempeñadas por el receptor, principalmente en lasseñales de radio frecuencia, la principal función del receptor es demodular la señalrecibida.

Existe una gran variedad de sistemas de recepción en las que varía elalcance, tipo de transmisión y costo del equipo; las cuales dependen de laaplicación a la que estén orientadas.

El receptor RCR-433-RP de Radiotronix que se implementa para larecuperación de los datos, trabaja a una frecuencia de 433.92 MHz con un anchode banda de 3MHz. Implementa un demodulador ASK encargado de eliminar loscomponentes de frecuencia de la portadora y produce una salida que correspondea los datos binarios originales; otra de las funciones del decodificador es manteneren sincronía los datos enviados y los recuperados.

Otras de las características principales que se presentan en este tipo demódulos receptores son el bajo consumo de corriente (5mA) y bajo voltaje deoperación (5V), alcance de hasta 100m con línea de vista y aproximadamente de50m en interiores [35].

El modulo receptor RCR-433-RP (Figura 4.2) consta de 8 pines cuyadistribución se detalla en la tabla 4.1 comenzando por el primer pin de izquierda aderecha.

Figura 4.2 Receptor RCR-433-RP.

33

Tabla 4.1 Descripción de los pines del RCR-433-RP.

La figura 4.3 muestra el diagrama típico recomendado por el fabricante paralas conexiones del módulo receptor.

Figura 4.3 Módulo receptor RCR-433-RP.

En la figura 4.3 se puede apreciar el uso del decodificador HT12D la señalque recibe consta de 12 bits de los cuales 8 corresponden al código de dirección,éste código se puede variar manualmente mediante dip switches conectados enlos pines 1-7 (A0-A7) mientras que los 4 restantes corresponden a los datos deinformación. Luego de recibir estos bits por el pin DIN (Data Input), eldecodificador hace la comparación de los 8 bits de dirección con sus direccioneslocales tres veces continuas, si la comparación es igual a las direcciones delHT12D se manda una señal en alto a VT (Valid Transmision), lo que indica que latransmisión es correcta y enciende un led que indica si hay sincronismo con eltransmisor, es decir, indica en forma visual si la comunicación con el transmisor escorrecta. Luego se realiza la decodificación de la señal (4 bits) y se envía el datodecodificado a las salidas D0-D3 las cuales se encuentran conectadas a losentradas del PIC16F84A; por el contrario, si el código comparado con el que tieneen sus direcciones es diferente no habrá decodificación [36].

PIN NOMBRE DESCRPCION1 ANT Entrada de la antena.2 GND Pin conectado a 0V.3 GND Pin conectado a 0V.4 VCC Alimentación a 5V.5 VCC Alimentación a 5V.6 ANALOG Entrada analógica.7 DATA Entrega de datos hacia microcontrolador.8 GND Pin conectado a 0V

34

4.2. PIC16F84A

El PIC16F84A es considerado dentro de los microcontroladores deMicrochip como de gama baja debido a sus características. Cuenta con unamemoria flash de 1kbyte para la escritura del programa, puede operar a unafrecuencia máxima de 10MHz, tiene un conjunto de 35 instrucciones y puedepresentar hasta 4 interrupciones, cuenta con dos puertos los cuales pueden serconfigurados como entradas o salidas digitales (Puerto A con 5 pines y Puerto Bde 8 pines) [37]. En la figura 4.4 se muestra la descripción esquemática delPIC16F84A en un encapsulado PDIP de 18 pines.

Figura 4.4 Encapsulado PDIP de 18 pines del PIC16F84A.

La tarea que realizará el microprocesador en nuestro circuito esacondicionar todas las variables medidas y realizar una sincronización del sistemade transmisión y recepción. En la figura 4.5 se muestra el diagrama de flujo delcódigo de programación utilizado en el microcontrolador para efectuar estafunción.

35

Inicio

Recibe Nibble1

Almacena en Temp1

Retardo de 0.5 seg.

Recibe Nibble2

Almacena en Temp2

Crea código de 8 bits(Nibble1+Nibble2)

SumaCódigo de 8 bits + 0x01

Acarreo = 1

No

Envío a PortB 8 bits

cont4=12

Si

Recibe Nibble1

Almacena en Temp1

Recibe Nibble2

Almacena en Temp2

Crea código de 8 bits(Nibble1+Nibble2)

Envío a PortB 8 bits

Decrementa contadorcont4 = cont4 - 1

Cont4 = 0

No

Si

Retardo de 0.5 seg.

Retardo de 0.5 seg.

Retardo de 0.5 seg.

Retardo de 0.5 seg.

Figura 4.5 Diagrama de flujo del código del PIC16F84A.

36

El puerto A del microcontrolador está configurado como líneas de entradapor las cuales se hace una lectura cada 0.5 segundos del decodificador, losprimeros 4 bits capturados son almacenados en un registro temporal delmicrocontrolador como los menos significativos, en la segunda lectura los bits sonpuestos nuevamente en un registro temporal como los más significativos parapoder hacer la suma con los 4 primeros. Esto permite hacer un arreglo de 8 bitscorrespondiente a cada una de las variables a procesar para después serenviados al puerto B el cual estará conectado a las entradas digitales de la tarjetade adquisición NI-ELVIS.

El código del programa que permite hacer la lectura del decodificador yenviar los datos a las entradas digitales de la tarjeta de adquisición NI-ELVIS seanexa en el apéndice B.

4.3. Interfaz con la PC

En esta etapa se hace la lectura de las señales eléctricas a través delpuerto de comunicación entre la tarjeta de adquisición y la PC, para despuéshacer la representación numérica de cada una de las señales. Esto se logra pormedio de un programa desarrollado en una interfaz gráfica en ambiente deprogramación de LabVIEW junto con la tarjeta NI-ELVIS.

La tarjeta NI-ELVIS es un puesto de trabajo que se utiliza para construirprototipos y diseños los cuales puedan interactuar con los instrumentos virtualesbasados en LabVIEW.

La tarjeta NI-ELVIS se conecta a la PC mediante un cable de 68 pines, queva dirigido a una tarjeta de adquisición de datos (PIC-MI0-16E-1) colocada en elCPU de la PC [38]. En la figura 4.6 se muestra la conexión entre la tarjeta NI-ELVIS y la PC.

37

Figura 4.6 Sistema NI-ELVIS.

Las entradas digitales DO0-DO7 de la tarjeta NI-ELVIS se utilizan pararealizar las lecturas de datos del microcontrolador.

LabVIEW de National Instruments es un ambiente de desarrollo gráfico paracrear diseños flexibles y escalables y aplicaciones rápidas de prueba a un bajocosto. Es un lenguaje gráfico de programación muy completo el cual provee lasherramientas para crear fácilmente aplicaciones que realicen pruebas ymediciones, cuenta con todas las características de un ambiente de programaciónde propósito general tal como estructura de datos y manejo de eventos. EnLabVIEW los programas desarrollados reciben el nombre de InstrumentosVirtuales (VI, por sus siglas en inglés Virtual Instrument), si dentro de un VI hayotro programa a este se le llama subVI dado que es un VI que se encuentra dentrode otro [39].

Para el caso de nuestra aplicación, se desarrolló un programa en LabVIEWbasado en el diagrama de flujo mostrado en la figura 4.7.

38

Figura 4.7 Diagrama de flujo del programa desarrollado en LabVIEW.

39

El programa en LabVIEW se describe a continuación según sus etapas deejecución:

La primer etapa, que se muestra en la figura 4.8, es responsable de llevar acabo la lectura de la señal a través del puerto de comunicación entre la PC y latarjeta NI-ELVIS. La señal de entrada corresponde a los 8 bits entregados por elPIC16F84A y automáticamente es representada en LabVIEW por un valornumérico decimal. Posteriormente, se realiza una comparación con siete valorespreviamente determinados, de los cuales seis corresponden a los códigos de cadauno de los sensores (254, 253, 252, 251,250 y 249), el otro (255) permitesincronizar el sistema de transmisión y recepción con el VI. Ya que son diferenteslas velocidades a las que trabaja la PC y el sistema de transmisión y adquisición,si él valor leído no corresponde a alguno de los códigos antes mencionados elprograma se mantiene dentro de un ciclo tomando lecturas hasta que correspondaa uno de los códigos.

Figura 4.8 Etapa de sincronización del instrumento virtual con el sistema de recepción.

En la segunda etapa se hace nuevamente una captura y el dato se comparacon el código preestablecido (código de sensor) con el fin de permitir que el valorde entrada cambie, y así el valor que entre a la siguiente etapa sea la lectura delsensor. La figura 4.9 muestra dicha etapa.

Figura 4.9 Comparación entre señal de entrada y código de sensor.

40

En la etapa 3, se obtiene el siguiente dato que corresponde al valordetectado por el sensor en cuestión. Como la entrada corresponde a un valordecimal, se necesita hacer su interpretación, por lo que es necesario efectuar unamultiplicación del valor leído por el número 0.01955 (este valor corresponde a laresolución que tiene la conversión A/D con 8 bits). En la figura 4.10 se muestra eldiagrama a bloques que describe esta etapa haciendo la aclaración de que paracada sensor el proceso variará según las características del mismo.

Figura 4.10 Obtención de valores reales para sensor de dirección de viento.

Como se puede observar en la figura 4.10, luego de realizar lamultiplicación el valor obtenido es comparado con los rangos de voltaje que fueronmedidos al caracterizar el sensor, de manera que si se encuentra dentro de dichorango se selecciona el caso pertinente el cual contiene los puntos cardinales paradespués ser guardado en un archivo.

En la etapa 4 del programa se calcula el promedio de los datos tal como semuestra en la figura 4.11. Para realizar el promedio, lo primero que se hace esalmacenar cada uno de los valores que se están capturando del sensor utilizandoarrays (arreglos) en los que se guardan temporalmente los datos. Se define unarray adicional el cual se encargará de almacenar el número de ciclos quecorresponden a la cantidad de datos guardados de cada sensor. Posteriormente,se efectúa la sumatoria de los datos así como de los ciclos para luego hacer ladivisión entre éstos y enseguida guardar el valor en dos archivos diferentes, en el

41

primero se guardan todos los promedios y en el segundo sólo se actualiza alúltimo valor promediado. Se opta por la creación de dos archivos ya que el primerosirve para tener el historial de los datos capturados y el segundo para enviar losdatos a la página Web. Adicionalmente, en los archivos también se guarda lafecha y hora a la que se realizan los promedios así como sus unidades demedición.

Figura 4.11 Promedio de datos en LabVIEW.

4.4. Despliegue de Datos

Para facilitar al usuario el acceso a la información de una forma remota y entiempo real se ha diseñado una página Web. Esta interfaz permite al usuarioacceder desde cualquier computadora conectada a un servidor Web o a una redlocal a los datos registrados.

42

Para el diseño y construcción de la página se usa Dreamweaver MX 2004por ser un software que permite agregar rápidamente diseño y funcionalidad a laspáginas, sin la necesidad de programar manualmente el código HTML. Se puedecrear tablas, editar marcos, trabajar con capas, insertar comportamientosJavaScript, etc., de una forma sencilla y visual. Además incluye un software decliente FTP (por sus siglas en inglés File Transfer Protocol - Protocolo deTransferencia de Archivos) completo, permitiendo entre otras cosas trabajar conmapas visuales de los sitios Web, actualizando el sitio Web en el servidor sin salirdel programa.

La página diseñada en el presente proyecto está compuesta por un menúdonde se le proporciona al usuario información sobre la ubicación geográfica denuestra estación meteorológica, la medición de las variables en tiempo real y losdatos técnicos sobre la estación. En la figura 4.12 se muestra la pantalla principalde la página Web.

Figura 4.12 Pantalla principal de la página Web.

Dentro de la opción monitoreo climático aparece información sobre los 6sensores (temperatura, presión atmosférica, humedad relativa, radiación solar,velocidad y dirección del viento) así como la hora y fecha en que se efectuó lacaptura de datos por el sistema, los cuales se estarán actualizando cada 3minutos. La figura 4.13 muestra una captura de pantalla de los valorescorrespondientes a cada sensor.

43

Figura 4.13 Panel frontal del monitoreo climático.

Otra de las opciones que aparecen en el menú principal son los datostécnicos (Figura 4.14) en donde el usuario encontrará información sobre los tiposde sensores implementados, los módulos de transmisión, etc.

Figura 4.14 Panel frontal de datos técnicos.

44

Dentro del menú también se encuentra la opción “donde estamos” (Figura4.15), en la cual se muestra la ubicación geográfica de la estación meteorológicaasí como otros datos de contacto que puedan ser de interés para usuarios deotras partes del país y del mundo.

Figura 4.15 Panel frontal de donde estamos.

A lo largo de este capítulo se describieron cada una de las etapas queintegran la recepción, los objetivos alcanzados fueron: la sincronización con elsistema de transmisión mediante la programación del microcontrolador, lainterpretación y almacenamiento de las distintas variables meteorológicasutilizando el programa desarrollado en LabVIEW y el despliegue de datos en unapágina Web. En la figura 4.16 se muestra el diagrama a bloques del sistemadesarrollado.

Figura 4.16 Diagrama a bloques del sistema desarrollado.

EstaciónMeteorológica

Sistema deTransmisión

Sistema deRecepción Página Web

45

46

Capítulo 5. Pruebas y Resultados

En este capítulo se presentan las pruebas realizadas con los sensores paracomprobar su funcionamiento de acuerdo a las hojas de datos proporcionadas porel fabricante utilizando las entradas analógicas de la tarjeta NI-ELVIS einterpretadas por el software LabVIEW, también se presentan las pruebasrealizadas para la etapa de transmisión y recepción. En los resultados sepresentan las gráficas obtenidas correspondientes al estado del tiempo del día 26de septiembre de 2009 de la estación instalada en la Unidad Académica deIngeniería Eléctrica y se comparan con los datos de las estaciones del INIFAP deAgronomía y Guadalupe por ser las más cercanas.

5.1. Pruebas de sensores

El comportamiento del sensor de temperatura es similar al de unaresistencia variable la cual, varía la resistividad con los cambios de temperatura.Se conecta el sensor a una fuente de voltaje de 12V y se toma lectura de latemperatura ambiental. A la salida del sensor se conecta un multímetro digital elcual va registrando los niveles de voltaje obtenidos por el sensor.

En el caso de los sensores de presión atmosférica y humedad relativa serealizó el mismo procedimiento que para el sensor de temperatura, debido a quesu principio de funcionamiento es el mismo (sensores resistivos).

Para probar el funcionamiento del sensor de dirección de viento se utilizó unvoltaje de alimentación de 5V. En la representación de los diferentes puntoscardinales (N, S, E, O, NE, NO, SE, SO) se efectuaron cambios en la dirección dela veleta desde 0º tomado como el punto donde el sensor entrega el valor mínimode voltaje hasta 360º que es el punto donde el sensor entrega el máximo voltaje,con incrementos de 45º. El voltaje entregado por el sensor en los diferentes puntoses medido y registrado para generar una gráfica como la mostrada en la figura 5.1y así poder observar el comportamiento lineal del sensor.

47

Figura 5.1 Comportamiento del sensor de dirección de viento.

A diferencia de los sensores previamente descritos, los cuales sonalimentados con 12V, el sensor de dirección de viento se energiza con 5V por loque la señal de salida en este caso se puede conectar directamente con la etapade conversión análogo/digital.

Para realizar las pruebas del sensor de velocidad de viento se utilizaron unosciloscopio, un generador de señales y una fuente de alimentación.

La etapa de acondicionamiento se probó utilizando un generador deseñales (en sustitución del anemómetro) de tal forma que la señal se mantengaconstante ya que se tiene que ir incrementando la frecuencia de la señal paracalcular la curva que define el comportamiento del convertidor de frecuencia-voltaje; la gráfica resultante se muestra en el capítulo 4 (figura 4.1).

Para el sensor de radiación solar se realizaron pruebas para verificar losvalores de voltaje entregados a diferentes niveles de radiación, para ello se utilizaun simulador solar marca Sciencetech SS150 de 150W de potencia. Losresultados obtenidos indican que es necesaria una etapa de amplificación antesde conexión con la etapa de conversión A/D debido a que el sensor entreganiveles de voltaje del orden de 1 a 15 mV mientras que la conversión requiere unvalor mínimo de 19.55 mV.

48

5.2. Pruebas de Transmisión y Recepción

Para probar el alcance y funcionamiento de la etapa de transmisión-recepción, se ensambla el circuito recomendado por el fabricante para este tipo deaplicaciones y se alimenta con una fuente de voltaje a 5V.

En las diferentes pruebas realizadas se obtuvo un alcance máximo de 50 men lugares cerrados y a línea de vista se alcanza la distancia de 100 m.

5.3. Pruebas en LabVIEW

Para llevar a cabo la captura, interpretación, almacenamiento y desplieguede las variables meteorológicas se desarrollan diferentes programas en el entornoLabVIEW que permiten realizar estas tareas por separado para despuésintegrarlos en un solo programa encargado de ejecutar todas estas funciones. Losdiferentes programas realizados en LabVIEW se describen a continuación.

Se realizan programas para tomar las lecturas de los sensores a través delas entradas analógicas de la tarjeta NI-ELVIS. Esto es necesario para facilitar laspruebas de almacenamiento de datos así como el cálculo de los promedios. Lossensores de temperatura, humedad relativa, presión atmosférica y velocidad delviento se utilizan para las pruebas del programa que se muestra en la figura 5.2.

Figura 5.2 Diagrama de bloque para la lectura de sensores de temperatura, presiónatmosférica, humedad relativa y velocidad de viento.

49

Primero se seleccionan las entradas previamente configuradas enMeasurement & Automation Explorer (MAX) el cual permite hacer la comunicacióncon las entradas analógicas de la tarjeta NI-ELVIS, después se toman las lecturasde voltaje de cada sensor y luego se realizan las operaciones correspondientes decada sensor como lo indica el fabricante para la interpretación de la señaleléctrica, posteriormente se almacenan los datos en un arreglo (array) temporal aligual que se guardan en un archivo con la hora y fecha de captura. Después derealizar cierto número de lecturas se hace la sumatoria de los datos guardados enel arreglo y se divide entre el numero de datos para promediarlos, en seguida cadavariable meteorologica se almacenan en dos archivos, uno contiene el historial delos promedios y el otro el promedio actual, necesario para el despliegue del mismoen la página Web.

La figura 5.3 muestra el diagrama de bloques realizado para las pruebascon el sensor de dirección de viento.

Figura 5.3 Diagrama de bloque para la lectura del sensor de velocidad de viento.

Para visualizar los cambios de dirección del viento se crea en el panelfrontal un arreglo de indicadores los cuales representan gráficamente losdiferentes puntos cardinales dependiendo de los diferentes valores de voltajeentregados por el sensor de dirección de viento, figura 5.4.

50

Figura 5. 4 Indicadores de los puntos cardinales.

5.4. Pruebas con la página Web.

Para el diseño de la página es necesario configurar la computadora comoservidor local mediante el software AppServ Version 2.5.9 el cual permite hacer lavisualización previa de la página, para lograrlo es necesario crear una carpeta quetenga todo el contenido de las páginas creadas en Dreamweaver dentro de unacarpeta creada al instalar AppServ Version 2.5.9, una vez hecho esto solo esnecesario entrar al navegador y escribir la página mediante la barra dedirecciones.

El código para la creación de la página en su mayoría es HTML debido aque el Dreamweaver permite agregar rápidamente diseño y funcionalidad a laspáginas, sin la necesidad de programar manualmente el código HTML.

Para realizar el despliegue de los datos obtenidos por los sensores esnecesaria la programación en PHP ya que permite leer el documento donde songuardados los datos.

5.5. Pruebas con sistema completo

Las pruebas finales se realizaron integrando todas las etapas quecomponen al sistema. Para la alimentación del sistema de transmisión se utilizauna pila recargable de 12V, lo que permite llevar a cabo la transmisión endiferentes lugares sin la necesidad de depender de una fuente de voltajeconectada a la red eléctrica.

51

5.6. Resultados

En los días 26 y 27 de septiembre de 2009 se realizaron capturas de lasvariables meteorológicas de la estación meteorológica instalada en la UnidadAcadémica de Ingeniería Eléctrica localizada en el meridiano 102º 33’ 49.54” delongitud oeste y el paralelo 22º 46’ 7” de latitud norte con el sistema desarrollado.Los datos obtenidos son graficados y comparados con las estaciones del INIFAPque se encuentran en la Unidad Académica de Agronomía ubicada en elmeridiano 102° 41' 10.4" de longitud oeste y el paralelo 22° 43' 28.4" de latitudnorte y la estación de Guadalupe localizada en el meridiano 102° 30' 36.0" delongitud oeste y el paralelo 22° 45' 26.1" latitud norte y la estación de Zacatecasdel SMN con ubicación en longitud de 102º 30’ 22” y latitud 22º 44’ 48” por ser lasmás cercanas a la nuestra, con ellas se validan las mediciones obtenidas, de lamisma manera es posible verificar el proceso de transmisión y recepción. Losdatos comparados son las gráficas de temperatura, humedad relativa y radiaciónsolar por ser las únicas variables publicadas por dichas estaciones.

TEMPERATURAA continuación se presentan las gráficas de temperatura correspondientes

a las estaciones de Agronomía, Guadalupe e Ingeniería.

Figura 5.5 Temperatura, 26-09-09, Estación de Agronomía.

52

Figura 5.6 Temperatura, 26-09-09, Estación de Guadalupe.

0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 40

6

1 2

1 8

2 4

3 0

F e c h a 2 6 - 0 9 - 2 0 0 9 E s t a c i ó n : I n g e n i e r í a T e m p e r a t u r a

Te

mp

er

atu

ra

(º C

)

T i e m p o ( H o r a s )Figura 5.7 Temperatura, 26-09-09, Estación de Ingeniería.

Figura 5.8 Temperatura, 27-09-09, Estación de Agronomía.

53

Figura 5.9 Temperatura, 27-09-09, Estación de Guadalupe.

0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 40

6

1 2

1 8

2 4

3 0

F e c h a 2 7 - 0 9 - 2 0 0 9 E s t a c i ó n : I n g e n i e r í a T e m p e r a t u r a

Te

mp

er a

t ur a

(º

C)

T i e m p o ( H o r a s )Figura 5.10 Temperatura, 27-09-09, Estación de Ingeniería.

Como se puede observar, las mediciones de temperatura realizadas en laestación de Ingeniería tienen un comportamiento similar con las gráficascomparadas, también se nota una mayor similitud con la estación de Guadalupeya que se encuentra a 6km aproximadamente de la estación de Ingeniería encomparación con la de Agronomía que está a 13km aproximadamente. Con estose comprueba que las mediciones del sensor de temperatura son correctas debidoa que no se registraron fallas en la transmisión.

HUMEDAD RELATIVAEn las siguientes figuras se muestran los resultados obtenidos de la

humedad relativa por las estaciones de Agronomía, Guadalupe e Ingeniería.

54

Figura 5.11 Humedad Relativa, 26-09-09, Estación de Agronomía.

Figura 5.12 Humedad Relativa, 26-09-09, Estación de Guadalupe.

0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 40

2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

F e c h a 2 6 - 0 9 - 2 0 0 9 E s t a c i ó n : I n g e n i e r í a H u m e d a d R e l a t i v a

Hu

me

da

d R

el a

t iv

a (

%)

T i e m p o ( H o r a s )

Figura 5.13 Humedad Relativa, 26-09-09, Estación de Ingeniería.

55

En las gráficas de la humedad relativa se observa que aunque en algunashoras del día tiene variaciones significativas el comportamiento de los datosmedidos por nuestra estación también es parecido con las estacionescomparadas. También se puede notar que las gráficas de la estación de Ingenieríatienen los menores registros de humedad medidos durante los días registrados,esto se debe a que la estación se encuentra montada a una altura de 6m mientrasque las del INIFAP se instalan a una altura de 3m.

RADIACIÓN SOLAREn las figuras 5.14, 5.15 y 5.16 se presentan los resultados obtenidos por las

estaciones de Agronomía, Guadalupe e Ingeniería.

Figura 5.14 Radiación Solar, 26-09-09, Estación de Agronomía.

Figura 5.15 Radiación Solar, 26-09-09, Estación de Guadalupe.

56

0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 40

2 0 0

4 0 0

6 0 0

8 0 0

1 0 0 0

F e c h a 2 6 - 0 9 - 2 0 0 9 E s t a c i ó n : I n g e n i e r í a R a d i a c i ó n S o l a r

Ra

dia

ciò

n S

ol a

r ( W

/ m2 )

T i e m p o ( H o r a s )

Figura 5.16 Radiación Solar, 26-09-09, Estación de Ingeniería.

Como se puede observar en las graficas de radiación el comportamiento es elmismo aunque los valores tengan una variación, esto se debe principalmente a lanubosidad en cada región puede cambiar muy rápidamente y sobre todo en estasfechas, también influye la altura a la que se encuentra instalada la estación ya quepuede haber objetos (árboles, cerros, etc.) que obstruyan los rayos del sol.

PRESIÓN ATMOSFÉRICAPara validar los datos medidos de la presión atmosférica es necesario

considerar las variables que contribuyen a los cambios de presión; el principalfactor es la altitud, la presión atmosférica disminuye rápidamente con la alturadebido a que la cantidad de aire es menor al alejarnos de la superficie terrestre. Lafigura 5.17 muestra el efecto que tiene la variación de altitud en la presiónatmosférica además es posible observar que a nivel del mar la presión es de1013,25 hectopascales (hPa) que equivale a 101.325 kPa.

57

Figura 5.17 Variación de la presión atmosférica respecto a la altitud [40].

El territorio Zacatecano se encuentra a una altura media de 2230msnm(metros sobre el nivel del mar), lo que conlleva a una presión de 78kPa. En lafigura 5.18 se muestra la presión atmosférica medida en la estación de Ingeniería,se puede observar que se mantiene en un promedio de aproximado de 76.3kPaequivalente a 2350msnm, este valor es válido ya que la estación se encuentra enlas laderas del Cerro de la Bufa el cual tiene una altura de 2496msnm [41],también se comprueba con los datos de la estación del SMN ubicada en la ciudadde Zacatecas a una altitud de 2270m con un promedio de presión atmosféricadurante el día de 78.05kPa.

Las variaciones que se observan en la figura 5.18 se deben a los cambiosde temperatura.

58

0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 47 5 , 5

7 6 , 0

7 6 , 5

7 7 , 0

7 7 , 5

F e c h a 2 6 - 0 9 - 2 0 0 9 E s t a c i ó n : I n g e n i e r í a P r e s i ó n A t m o s f é r i c a

Pr

es

ión

Atm

os

f ér

i ca

(K

Pa

)

T i e m p o ( H o r a s )

Figura 5.18 Presión Atmosférica, 26-09-09, Estación de Ingeniería.

VELOCIDAD DEL VIENTOEn la figura 5.19 se muestra los datos obtenidos de la velocidad de viento

obteniendo un promedio de 0.987m/s (3.5km/h), se comparan con el promedio dela estación de Guadalupe (5.8km/h) y la de Agronomía con velocidad promedio de10.6km/h. Las velocidades varían considerablemente entre una estación y otra porla ubicación y topografía del lugar pero se considera aceptable.

0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 2 40 , 0

0 , 5

1 , 0

1 , 5

2 , 0

2 , 5

3 , 0

3 , 5

4 , 0

Ve

l oc

i da

d (

m/ s

)

T i e m p o ( H o r a s )

F e c h a 2 6 - 0 9 - 2 0 0 9 E s t a c i ó n : I n g e n i e r í a V e l o c i d a d d e V i e n t o

Figura 5.19 Velocidad del Viento, 26-09-09, Estación de Ingeniería.

59

DIRECCIÓN DEL VIENTOLa figura 5.20 muestra el comportamiento de la dirección del viento el día

26-09-2009. Su puede observar que la dirección de donde proviene el viento esdel sureste debido a que se obtuvo un mayor densidad de valores de estadirección.

Fecha 26-09-09 Estación: IngenieríaDirección del Viento

Norte

Noreste

Este

Sureste

Sur

Suroeste

Oeste

Noroeste

Figura 5.20 Dirección del Viento, 26-09-09, Estación de Ingeniería.

60

Conclusiones

Se realizo un sistema de monitoreo meteorológico para la UnidadAcadémica de Ingeniería Eléctrica de fácil instalación en cualquier sitio paraobtener información del clima, lo que permita una mejora en la creación de losmapas solares y eólicos para su posterior aprovechamiento de las fuentesrenovables de energía en el estado de Zacatecas.

Como se mostró en los capítulos 3 y 4 se ha desarrollado un sistema detransmisión-recepción vía radiofrecuencia de bajo costo con un alcance máximode transmisión de 100m a línea de vista para la captura y manipulación y con elque se pueden obtener datos meteorológicos confiables ya que se han comparadocon las estaciones más cercanas del INIFAP y el SMN con valores viables.

El desarrollo de la programación en LabVIEW en conjunto con la tarjeta deadquisición de datos facilitó en gran medida la manipulación y almacenamiento delos datos entregados por el microcontrolador PIC16F84A.

Se elaboró una página Web para que los usuarios puedan tener acceso alos datos climáticos de forma remota y en tiempo real.

Trabajo a Futuro

Mejorar la programación del PIC16F877A para realizar una conversión A/Dde 10 bits así como la programación en LabVIEW lo que contribuya a una mejorsensibilidad al capturar datos de los sensores

Realizar una interfaz directamente con el puerto paralelo o USB de la PCutilizando un microcontrolador, con esto se evitaría utilizar la tarjeta NI-ELVIS, loque permite una mayor practicidad del sistema desarrollado.

Utilizar un amplificador operacional de mayor sensibilidad para laamplificación del voltaje proporcionado por el piranómetro.

Mejorar la programación de la página Web utilizando PHP para eldespliegue de los datos obtenidos por los sensores de forma grafica, así comorestringir el acceso a los datos por medio de una clave de usuario. Subir la páginaa un servidor Web y desplegar la información en tiempo real.

61

62

Bibliografía

[1] http://www.vacuum-guide.com/images/museum_torricelli02.gif

[2] http://images.encarta.msn.com/xrefmedia/sharemed/targets/images/pho/t048/T048232A.jpg

[3] http://es.wikipedia.org/wiki/Meteorolog%C3%ADa

[4] Julio C. Delgado López, Tesis, “Control de temperatura con PLC S7-200”,Facultad de Ingeniería, Área de Ingeniería Eléctrica, Programa deComunicaciones y Electrónica, Universidad Autónoma de Zacatecas, 2007.

[5] http://www.zacatecas.inifap.gob.mx

[6] http://smn.cna.gob.mx/productos/emas/

[7] http://smn.cna.gob.mx

[8] http://www.pol.una.py/page.php?p=ema

[9] http://nimbus.com.uy/weather/pdf/cap2.pdf

[10] http://www.producemich.org.mx/Estacion/index.htm

[11] http://es.wikipedia.org/wiki/Estaci%C3%B3n_meteorol%C3%B3gica

[12] http://jro.igp.gob.pe/subwebs/200604_tallerradares/documents/mestanza_presentacion.pdf

[13] http://es.wikipedia.org/wiki/Sat%C3%A9lite_meteorol%C3%B3gico

[14] Adquisición y Transmisión de Datos desde Estaciones MeteorológicasRemotas. S. Rosiek, F.J. Batlles, Dpto. Física Aplicada, Universidad deAlmería.

[15] http://es.wikipedia.org/wiki/Temperatura

[16] http://www.nrgsystems.com/sitecore/content/Products/1906.aspx

[17] http://es.wikipedia.org/wiki/Presi%C3%B3n_atmosf%C3%A9rica

[18] http://www.nrgsystems.com/sitecore/content/Products/2046.aspx

63

[19] http://www.zacatecas.inifap.gob.mx/publicaciones/Uso_de_estaciones_meteorologicas_en_la_agricultura.pdf

[20] http://www.nrgsystems.com/sitecore/content/Products/1900.aspx

[21] http://www.nrgsystems.com/sitecore/content/Products/1904.aspx

[22] http://es.wikipedia.org/wiki/Humedad_ambiental

[23] http://www.nrgsystems.com/sitecore/content/Products/2047.aspx

[24] http://es.wikipedia.org/wiki/Radiaci%C3%B3n_solar

[25] CMP3 Pyranometer Instruction Manual.

[26] José M.ª Angulo Usategui, “MICROCONTROLADORES «PIC». Diseñopráctico de aplicaciones. Primera parte: El PIC16F84. Lenguajes PBASIC yEnsamblador.”, Mc Graw Hill 3/Ed. 2003.

[27] Hoja de especificaciones del sensor 110S.

[28] Hoja de especificaciones del sensor BP20.

[29] Hoja de especificaciones del sensor 40C.

[30] Hoja de especificaciones del sensor RH-5.

[31] Gray & Meyer, “Análisis y Diseño de Circuitos Integrados Analogicos”, PrenticeHall, 3/Ed. 1995.

[32] Hoja de datos RCT-433-AS.

[33] Ferrel G. Stremler, “Introducción a los Sistemas de Comunicación”, AddisonWesley Longman, 3/Ed. 1993.

[34] Hoja de datos HT12E.

[35] Hoja de datos del receptor RCR-433-RP.

[36] Hoja de datos del decodificador HT-12D.

[37] Hoja de datos del PIC16F84.

[38] Hoja de datos NI-ELVIS.

64

[39] Cristian Eduardo Boyain, Tesis, “Desarrollo de Instrumentos Virtuales paraSistemas de Comunicaciones en LabVIEW”, Facultad de Ingeniería, Área deIngeniería Eléctrica, Programa de Comunicaciones y Electrónica, UniversidadAutónoma de Zacatecas, 2006.

[40] http://www.meteoexploration.com/mountain/figures/z2p500.png

[41] http://mx.geocities.com/tallertnt2000/capital.html

65

Apéndice A. Programa del PIC16F877A

66

TEMP1 EQU 20HTEMP2 EQU 21HTEMP3 EQU 22HTEMP4 EQU 23HTEMP5 EQU 24HTEMP6 EQU 25HCONT2 EQU 26HCONT3 EQU 27HCONT EQU 28HTEMP7 EQU 29H

list p=16f877a#include <p16f877a.inc>ORG 00HBCF STATUS,RP1BCF STATUS,RP0 ; Seleccionamos el banco 0.CLRF PORTA ; Limpiamos el puerto A.CLRF PORTbMOVLW B'01000001'MOVWF ADCON0 ; CONFIGURADO FOSC/8, CANAL 0, MODULO

ACTIVO SIN INICIAR AUNBCF STATUS,RP1BSF STATUS,RP0 ; Seleccionamos el banco 1.

CLRF TRISb ; Configuramos como salida al puerto B.MOVLW B'01101111'MOVWF TRISA ; Configuracion de las entradas del puerto A.MOVLW B'0000000'MOVWF ADCON1 ; Comfiguracion de las entradas analogicas.BCF STATUS,RP1

BCF STATUS,RP0 ; Seleccionamos el banco 0.

esperacall bit15 ;Llama a subrutinacall ms25call bit15call ms25clrf portb ;Limpia el puerto bcall ms25

MOVLW d'14' ; Carga w con 14MOVWF PORTb ; Muestra en el puerto b lo que hay en wcall ms25

call bit15call ms25clrf portb

67

call ms25

; selecciona el canal 0BCF STATUS,RP1

BCF STATUS,RP0 ; Seleccionamos el banco 0.BCF ADCON0,5

BCF ADCON0,4 BCF ADCON0,3 ;Seleccionamos la entrada AN0MOVLW d'15' ;Carga a w con 15MOVWF TEMP1 ;Mueve a TEMP1 lo que hay en w

Delay1DECFSZ TEMP1,1 ;RetardoGOTO Delay1BSF ADCON0,2 ;Inicia la conversion A/D.

PRIMERA_CONVERSION BTFSS PIR1,6 ;Pregunta si ha terminado la conversiónGOTO PRIMERA_CONVERSIONCALL CONVERSION

MOVLW d'13'MOVWF PORTbcall ms25

call bit15call ms25clrf portbcall ms25

;"Seleccionamos el canal 1"BCF STATUS,RP1BCF STATUS,RP0 ; Seleccionamos el banco 0.BCF ADCON0,5

BCF ADCON0,4 BSF ADCON0,3

MOVLW d'15'MOVWF TEMP2

Delay2DECFSZ TEMP2,1GOTO Delay2BSF ADCON0,2 ;Inicia la conversion A/D.

SEGUNDA_CONVERSION BTFSS PIR1,6

GOTO SEGUNDA_CONVERSIONCALL CONVERSIONMOVLW d'12'MOVWF PORTbcall ms25

68

call bit15call ms25clrf portbcall ms25

;"Seleccionamos el canal 2"BCF STATUS,RP1 BCF STATUS,RP0 ; Seleccionamos el banco 0.BCF ADCON0,5

BSF ADCON0,4 BCF ADCON0,3MOVLW d'15'MOVWF TEMP3

Delay3DECFSZ TEMP3,1GOTO Delay3BSF ADCON0,2 ;Inicia la conversion A/D.

TERCERA_CONVERSION BTFSS PIR1,6

GOTO TERCERA_CONVERSIONCALL CONVERSION

MOVLW d'11'MOVWF PORTbcall ms25

call bit15call ms25clrf portbcall ms25

;"Seleccionamos el canal 3"BCF STATUS,RP1

BCF STATUS,RP0 ; Seleccionamos el banco 0.BCF ADCON0,5

BSF ADCON0,4 BSF ADCON0,3

MOVLW d'15'MOVWF TEMP4

Delay4DECFSZ TEMP4,1GOTO Delay4BSF ADCON0,2 ;Inicia la conversion A/D.

CUARTA_CONVERSION BTFSS PIR1,6GOTO CUARTA_CONVERSION

69

CALL CONVERSION

MOVLW d'10'MOVWF PORTbcall ms25

call bit15call ms25clrf portbcall ms25

;"Seleccionamos el canal 4"BCF STATUS,RP1BCF STATUS,RP0 ; Seleccionamos el banco 0.BSF ADCON0,5

BCF ADCON0,4 BCF ADCON0,3MOVLW d'15'MOVWF TEMP5

Delay5DECFSZ TEMP5,1GOTO Delay5BSF ADCON0,2 ;Inicia la conversion A/D.

QUINTA_CONVERSION BTFSS PIR1,6

GOTO QUINTA_CONVERSIONCALL CONVERSION

MOVLW d'9'MOVWF PORTbcall ms25

call bit15call ms25clrf portbcall ms25;selecciona el canal 0BCF STATUS,RP1 BCF STATUS,RP0 ; Seleccionamos el banco 0.BSF ADCON0,5 BCF ADCON0,4 BSF ADCON0,3MOVLW d'15'MOVWF TEMP7

70

Delay7DECFSZ TEMP7,1GOTO Delay7BSF ADCON0,2 ;Inicia la conversion A/D.

SEXTA_CONVERSION BTFSS PIR1,6GOTO SEXTA_CONVERSIONCALL CONVERSION

goto espera

CONVERSION;;; "Envio de los 4 bits menos significativos al puerto B"

BCF STATUS,RP1 BCF STATUS,RP0 ; Seleccionamos el banco 0.

movfw adreshandlw d'15' ;Eliminamos los 4 bits mas altos.MOVWF PORTbcall ms25

;;; "Envio de los 4 bits mas significativos al puerto B"BCF STATUS,RP1

BCF STATUS,RP0 ; Seleccionamos el banco 0.movfw adreshandlw d'240' ;Eliminamos los 4 bits mas bajos.movwf TEMP6swapf TEMP6,wMOVWF PORTbcall ms25clrf portbcall ms25return

bit15 MOVLW d'15' ;Carga w con 15MOVWF PORTb ;Mueve a Portb lo que hay en wreturn

;"Retardo de 50ms"ms25 MOVLW D'50'

MOVWF CONT3CICLO7 MOVLW D'97'

MOVWF CONT2CICLO8 MOVLW D'33'

MOVWF CONTCICLO9 DECFSZ CONT,1

GOTO CICLO9DECFSZ CONT2,1

71

GOTO CICLO8DECFSZ CONT3,1GOTO CICLO7return

END

72

Apéndice B. Programa del PIC16F84A

73

temp1 equ 0x11temp2 equ 0x12reg_1 equ 0x13CONT equ 0x14CONT2 equ 0x15CONT3 equ 0x16CONT4 equ 0x18Bandera equ 0x17

list p=16f84a#include <p16f84a.inc>ORG 00H

clrf portbclrf portabsf status,5 ;Nos cambiamos al banco1clrf trisb ;Configuramos el puerto B como salidamovlw d'15'movwf trisabcf status,5 ; Nos cambiamos al banco0movlw d'1'movwf bandera ;carga 1 a bandera

; // Rutina para la sincronización del PIC16F84A y el PIC16F877A //

esperamovfw porta ;Lectura del puerto Amovwf temp1call tiempo25 ;Llama retardo de 50msgmovfw porta ; Lectura del puerto Amovwf temp2swapf temp2,0addwf temp1,0movwf reg_1movf reg_1,0call tiempo25 ;Llama retardo de 50msgmovf reg_1,0addwf bandera,0btfss status,0goto esperamovf reg_1,0movwf portbcall tiempo25 ;Llama retardo de 50msgmovlw d'12'movwf CONT4

74

; // Rutina para realizar la captura de los códigos y valores de cada seensor //

ciclo movfw portamovwf temp1call tiempo25movfw portamovwf temp2swapf temp2,0addwf temp1,0movwf reg_1call tiempo25movf reg_1,0movwf portbcall tiempo25DECFSZ CONT4,1goto ciclogoto espera

; // Retardo de 50ms, para sincronizar LabVIEW con el PIC16F84A//

tiempo25MOVLW D'50'MOVWF CONT3

CICLO7 MOVLW D'97'MOVWF CONT2

CICLO8 MOVLW D'33'MOVWF CONT

CICLO9 DECFSZ CONT,1GOTO CICLO9DECFSZ CONT2,1GOTO CICLO8DECFSZ CONT3,1GOTO CICLO7return

end

75

Apéndice C. Hoja de datos de sensores

87

Apéndice D. Módulos RF

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE ZACATECAS“FRANCISCO GARCÍA SALINAS”

MONITOREO DE UNA ESTACIÓN METEOROLÓGICA VÍA INTERNET

Ismael Guardado DávilaIsidro Palacios Camacho

Tesis de Licenciaturapresentada a la Unidad Académica de Ingeniería Eléctrica

de acuerdo a los requerimientos de la Universidad para obtener el título de

INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

Directores De Tesis: Dr. Jorge De la Torre y Ramos yM. En C. Atziry Magaly Ramírez Aguilera

UNIDAD ACADÉMICA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA16 de octubre de 2009