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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
FACULTAD DE CIENCIAS
TESIS
“Diseño y construcción de un sistema de medición modular
autónomo para el monitoreo de variables de interés en zonas
rurales”
PARA OBTENER EL TÍTULO PROFESIONAL DE:
INGENIERO FÍSICO
ELABORADO POR:
JOSE ANDRES GARAYAR PERALTA
ASESOR:
DR. GERMÁN YURI COMINA BELLIDO
LIMA-PERÚ
2019
II
Dedicatoria
Quiero dedicar este trabajo de tesis principalmente a mi padre Juan José y a mi madre
Elizabeth por apoyarme en todo momento a convertirme en un profesional.
III
Agradecimientos
A la Universidad Nacional de Ingeniería por brindarme todas las herramientas necesarias
para convertirme en un profesional.
Al profesor Dr. Germán Comina por su paciencia, asesoría y los consejos brindados para
cumplir con los objetivos planteados de esta tesis.
A la Facultad de Ciencias de la UNI por brindarme el espacio para desarrollar el proyecto
en sus laboratorios y taller mecánico.
Al profesor Víctor Quinde por su valioso apoyo en la construcción del diseño mecánico
de esta tesis.
A mis compañeros de la universidad con los que compartimos diversas ideas para el
mejoramiento de este proyecto.
IV
Resumen
En la presente tesis se ha desarrollado un sistema de medición modular autónomo
(SMA) capaz de realizar mediciones con diversos sensores análogos y digitales con
diferentes protocolos de comunicación, como serial, I2C, SPI, GPIO, etc.
El SMA posee su propio sub-sistema de alimentación autónomo solar fotovoltaico,
además que su diseño se adapta a condiciones rurales, donde el SMA puede ser
expuesto a las lluvias, el polvo, la radiación solar, así como otros.
Este proyecto surge como alternativa simple para ser el elemento central en mediciones
multi-paramétricas, el cual permite recolectar información cada cierto tiempo en una
memoria micro SD interna y además tiene la potencialidad de transmisión de
información inalámbrico a través de conexión vía Wi-Fi o Bluetooth y de
georreferenciación usando un módulo GPS.
Para probar el SMA se le conectaron sensores de temperatura, presión atmosférica,
humedad, radiación solar, velocidad de viento, nivel de vibración, medición de PH y un
sensor de corriente y voltaje.
El presupuesto energético del sistema, aunado a los sensores en funcionamiento fue de
1.25W.
Se hizo una prueba de consumo donde se dejó funcionando el sistema por siete días
continuos sin reportar ninguna pérdida de datos, como lo muestra los gráficos de las
variables consideradas, demostrando que el sub-sistema fotovoltaico diseñado es
adecuado para las exigencias energéticas del SMA.
Palabras clave: Sistema de medición autónomo, mediciones multi-paramétricas,
conexión inalámbrica, sensores.
V
Abstract
In this thesis an autonomous measurement modular system (SMA), able of performing
measurements with various analog and digital sensors with different communication
protocols (serial, I2C, SPI, GPIO, etc.) has been developed.
The SMA has its own power sub-system based on a solar photovoltaic system, and its
design is adapted to rural conditions, where the SMA can be exposed to rainfall, dust,
solar radiation, among others.
This project arises as a simple alternative to be a central element in multi-parametric
measurements, which allows to collect information during a time period in a micro SD
memory, and also it has the potential of wireless transmission via Wi-Fi or Bluetooth
connection, and geotagged data using a GPS module.
Temperature, atmospheric pressure, humidity, solar radiation, wind speed, vibration
level, PH measurement, and current and voltage sensors were connected to the system.
The energy budget of the system was 1.25W with all sensors and processor were
powered.
A consumption test was carried out where the system was left running for seven
continuous days and no report of loss of data, as shown by the sensors plots was
occurred. This demonstrates that the photovoltaic sub-system was adequate develop
for the SMA energy requirements.
Key words: Autonomous measurement system, multi-parameter measurements,
wireless connection, sensors.
VI
Prólogo
El presente trabajo nace como una respuesta a la necesidad de contar con sistemas de
medida autónomos y portátiles.
En el capítulo 1 se realiza una breve introducción al SMA.
En el capítulo 2 se describen los conceptos necesarios para comprender el
funcionamiento del SMA. Además, se muestran los diferentes dispositivos que se
utilizaron en la construcción del prototipo.
En los capítulos 3,4,5 se muestra el trabajo para desarrollar los sub-sistemas del SMA: El
sub-sistema electrónico, el sub-sistema de alimentación y el sub-sistema mecánico.
En el capítulo 6 se muestran los resultados de las mediciones hechas durante las
semanas de prueba del SMA.
Por último, se mencionan las conclusiones y recomendaciones obtenidas después del
desarrollo de esta tesis.
VII
Índice
Capítulo 1: Introducción ........................................................................................... 1
1.1. Justificación del proyecto ................................................................................................... 1
1.2. Objetivos ............................................................................................................................ 3
1.2.1. Objetivo General ......................................................................................................... 3
1.2.2. Objetivos Específicos ................................................................................................... 3
1.3. Antecedentes ..................................................................................................................... 4
Capítulo 2: Marco Teórico ......................................................................................... 7
2.1. Sistemas de medición multiparamétricos .......................................................................... 7
2.2. Dispositivos y sensores ....................................................................................................... 7
2.2.1. Raspberry Pi Zero W .................................................................................................... 8
2.2.2. Arduino Nano 328 ....................................................................................................... 9
2.2.3. ADC ADS1115 ............................................................................................................ 11
2.2.4. GPS Neo 6M .............................................................................................................. 12
2.2.5. MPU6050 ................................................................................................................... 13
2.2.6. BME280 ..................................................................................................................... 15
2.2.7. PH meter V1.1 ........................................................................................................... 16
2.2.8. Sensor fotodiodo BPW34 .......................................................................................... 18
2.2.9. Anemómetro JL-FS2 .................................................................................................. 19
2.3. Medición de parámetros .................................................................................................. 20
2.3.1. Energía renovable ..................................................................................................... 20
2.3.2. Calidad de agua ......................................................................................................... 21
2.3.3. Movimiento telúrico .................................................................................................. 21
2.3.4. Temperatura .............................................................................................................. 22
2.3.5. Humedad relativa ...................................................................................................... 22
2.3.6. Presión barométrica .................................................................................................. 22
2.4. Sistema solar fotovoltaico ................................................................................................ 23
2.5. Componentes de un sistema solar fotovoltaico .............................................................. 23
2.5.1. Panel solar fotovoltaico ............................................................................................. 23
2.5.2 Regulador de carga ..................................................................................................... 24
2.5.3. Batería ....................................................................................................................... 24
VIII
Capítulo 3: Desarrollo del sub-sistema electrónico y el código de programación ...... 26
3.1. Esquema de conexiones del SMA .................................................................................... 26
3.2. Tipos de comunicación e interfaces ................................................................................. 28
3.3. Código de programación y configuración del sistema ..................................................... 30
Capítulo 4: Diseño del sub-sistema de alimentación solar fotovoltaico .................... 33
4.1. Evaluación del consumo energético del SMA .................................................................. 33
4.2. Efecto del polvo en la eficiencia de los paneles solares ................................................... 34
4.3. Dimensionamiento del sistema ........................................................................................ 35
4.4.1. Potencia pico del panel solar .................................................................................... 36
4.4.2. Capacidad de las baterías .......................................................................................... 37
Capítulo 5: Diseño y construcción del sub-sistema mecánico ................................... 38
5.1. Base .................................................................................................................................. 39
5.2. Soporte ............................................................................................................................. 40
5.3. Techo ................................................................................................................................ 42
Capítulo 6: Recolección y análisis de datos .............................................................. 45
6.1. Recolección inalámbrica de datos .................................................................................... 45
6.2. Validación y análisis de los resultados ............................................................................. 47
Conclusiones .......................................................................................................... 57
Recomendaciones .................................................................................................. 58
Bibliografía ............................................................................................................. 59
Anexos ................................................................................................................... 62
A.1. Calibración del sensor de pH ........................................................................................... 62
A.2. Circuito de sensor fotodiodo BPW34 ............................................................................... 66
A.3. Calibración sensor de corriente ....................................................................................... 67
A.4. Circuito divisor de voltaje para medir voltaje de la batería ............................................. 69
A.5. Evaluación económica del proyecto ................................................................................ 71
IX
LISTA DE FIGURAS
FIG. 1.1. DISEÑO DE PROTOTIPO DE ESTACIÓN METEOROLÓGICA PARA MEDICIONES DE VARIABLES AMBIENTALES
[1]. ......................................................................................................................................... 4
FIG. 1.2. ARQUITECTURA DEL SISTEMA DE MONITOREO DE VARIABLES MEDIOAMBIENTALES CON PLATAFORMAS DE
INTERNET DE LAS COSAS [2]. ........................................................................................................ 5
FIG. 1.3. A) ESTACIÓN METEOROLÓGICA PEGASUS EP 201, EMPRESA TECMES [3]. B) ESTACIÓN
METEOROLÓGICA VANTAGE PRO2, EMPRESA DAVIS INSTRUMENTS [4]. C) ESTACIÓN METEOROLÓGICA
WATCHDOG 2700, EMPRESA SPECTRUM TECHNOLOGIES [5]. .......................................................... 6
FIG. 2.1. RASPBERRY PI MODELO ZERO W [7]. ....................................................................................... 9
FIG. 2.2. DISTRIBUCIÓN DE LOS PINES DE UN ARDUINO NANO 328 [9]..................................................... 10
FIG. 2.3. ARDUINO MODELO NANO 328 [10]. ..................................................................................... 10
FIG. 2.4. DIAGRAMA DE BLOQUES DEL ADC ADS1115 [11]. ................................................................. 11
FIG. 2.5. ADC ADS1115 [12]. ......................................................................................................... 11
FIG. 2.6. MÓDULO GPS NEO 6M [13]. .............................................................................................. 12
FIG. 2.7. DIAGRAMA DE BLOQUES DEL MÓDULO GPS NEO 6M [14]........................................................ 13
FIG. 2.8. DIAGRAMA DE BLOQUES DEL MPU-6050 [16]. ...................................................................... 14
FIG. 2.9. MPU-6050 [17]. .............................................................................................................. 15
FIG. 2.10. BMP280 [19]................................................................................................................. 15
FIG. 2.11. DIAGRAMA DE BLOQUES DEL BMP280 [18] ......................................................................... 16
FIG. 2.12. DISEÑO DE LA PLACA PCB [20] ........................................................................................... 17
FIG. 2.13. SONDA DEL SENSOR DE PH CON CONECTOR BNC [22]. ........................................................... 17
FIG. 2.14. SENSOR FOTODIODO BPW34 [25]. .................................................................................... 18
FIG 2.15. ANEMÓMETRO JL-FS2 [27]. ............................................................................................... 19
FIG. 2.5.1. PANEL SOLAR MONOCRISTALINO 30W-12V [28]. ................................................................ 23
FIG. 2.5.2. REGULADOR DE CARGA VICTRON LIGHT 12V-10A [30]. ........................................................ 24
FIG. 2.5.3. BATERÍA 12V-7AH DE PB [31]. ......................................................................................... 25
FIG. 3.1.1. DIAGRAMA DE CONEXIONES DEL SUB-SISTEMA ELECTRÓNICO. ................................................. 26
FIG. 3.1.2. A) SOPORTE ADC ADS1115. B) SOPORTE ARDUINO NANO 328. C) SOPORTE BME280. D) SOPORTE
GPS NEO 6M. E) SOPORTE RASPBERRY PI ZERO W. F) SOPORTE MPU6050. G) SOPORTE PARA PCB DEL
PH METER V1.1. ...................................................................................................................... 27
FIG. 3.1.3. CIRCUITO DENTRO DE CAJA DE PLÁSTICO DE 15CM X 15CM..................................................... 28
FIG. 3.2.1. DATOS DEL SENSOR BMP280 EN FORMATO “.CSV” PARA VISUALIZAR EN EXCEL. ....................... 29
FIG. 3.3.1. CONFIGURACIÓN DEL PROGRAMA PUTTY. ........................................................................... 31
FIG. 3.3.2. DIAGRAMA DE BLOQUES DEL CÓDIGO DE PROGRAMACIÓN. ..................................................... 32
FIG. 4.3. ESTRUCTURA DE UN SISTEMA SOLAR FOTOVOLTAICO DE CORRIENTE CONTINUA. ............................ 35
FIG. 5.1. DISEÑO 3D DEL SUB-SISTEMA MECÁNICO PROPUESTO. ............................................................. 39
FIG. 5.1.1. BASE DEL SUB-SISTEMA MECÁNICO COMPUESTA POR UNA CAJA DE MADERA QUE CONTIENE 2 BATERÍAS
Y LAS TUERCAS PARA MADERA PARA COLOCAR LOS ESPÁRRAGOS DE ACERO INOXIDABLE. ...................... 40
FIG. 5.2.1. VISTA SUPERIOR DEL SOPORTE DEL SUB-SISTEMA MECÁNICO. .................................................. 41
FIG. 5.2.2. A) VISTA SUPERIOR DEL SOPORTE CON LA BASE DE CAJA DE SENSORES. B) VISTA SUPERIOR DEL SOPORTE
CON LA TAPA DE LA CAJA DE SENSORES. ........................................................................................ 42
FIG. 5.4. A) ESTRUCTURA DE SOPORTE DEL PANEL SOLAR CON UN PÍVOT PARA MODIFICAR LA INCLINACIÓN DEL
PANEL SOLAR. B) VISTA LATERAL DEL SMA A 0°. C) VISTA LATERAL DEL SMA CON INCLINACIÓN 45°. .... 43
FIG. 5.5. A) SMA CON PANEL SOLAR INCLINADO 30°. B) SMA CON PANEL SOLAR A 0°. .............................. 44
FIG. 6.1. TRANSFERENCIA DE DATOS INALÁMBRICA USANDO WI-FI ENTRE UNA LAPTOP Y EL SMA. ............... 46
X
FIG. 6.2.1. GRÁFICO DE DATOS DEL SENSOR DE CORRIENTE DURANTE LA PRIMERA SEMANA DE PRUEBA. ........ 48
FIG. 6.2.2. GRÁFICO DE DATOS DEL CIRCUITO DIVISOR DE VOLTAJE DURANTE LA PRIMERA SEMANA DE PRUEBA.
............................................................................................................................................. 48
FIG. 6.2.3. GRÁFICO DE DATOS DE TEMPERATURA DEL SENSOR BME280 DURANTE LA PRIMERA SEMANA DE
PRUEBA. ................................................................................................................................. 49
FIG. 6.2.4. GRÁFICO DE DATOS DE PRESIÓN DEL SENSOR BME280 DURANTE LA PRIMERA SEMANA DE PRUEBA.
............................................................................................................................................. 49
FIG. 6.2.5. GRÁFICO DE DATOS DE HUMEDAD DEL SENSOR BME280 DURANTE LA PRIMERA SEMANA DE PRUEBA.
............................................................................................................................................. 50
FIG. 6.2.6. GRÁFICO DE DATOS DE NIVEL DE VIBRACIÓN DEL MPU6050 DURANTE LA PRIMERA SEMANA DE
PRUEBA. ................................................................................................................................. 50
FIG. 6.2.8. GRÁFICO DE DATOS DEL ANEMÓMETRO JL-FS2 DURANTE LA PRIMERA SEMANA DE PRUEBA. ........ 51
FIG. 6.2.7. GRÁFICO DE DATOS DEL SENSOR BPX43 DURANTE LA PRIMERA SEMANA DE PRUEBA. ................. 51
FIG. 6.2.10. GRÁFICO DE DATOS DEL SENSOR DE CORRIENTE DURANTE LA SEGUNDA SEMANA DE PRUEBA. ..... 52
FIG. 6.2.9. GRÁFICO DE DATOS DEL CIRCUITO DIVISOR DE VOLTAJE DURANTE LA SEGUNDA SEMANA DE PRUEBA.
............................................................................................................................................. 52
FIG. 6.2.14. GRÁFICO DE DATOS DE TEMPERATURA DEL SENSOR BME280 DURANTE LA SEGUNDA SEMANA DE
PRUEBA. ................................................................................................................................. 53
FIG. 6.2.13. GRÁFICO DE DATOS DE PRESIÓN DEL SENSOR BME280 DURANTE LA SEGUNDA SEMANA DE PRUEBA.
............................................................................................................................................. 53
FIG. 6.2.15. GRÁFICO DE DATOS DE HUMEDAD DEL SENSOR BME280 DURANTE LA SEGUNDA SEMANA DE
PRUEBA. ................................................................................................................................. 54
FIG. 6.2.16. GRÁFICO DE DATOS DE NIVEL DE VIBRACIÓN DEL MPU6050 DURANTE LA SEGUNDA SEMANA DE
PRUEBA. ................................................................................................................................. 54
FIG. 6.2.11. GRÁFICO DE DATOS DEL ANEMÓMETRO JL-FS2 DURANTE LA SEGUNDA SEMANA DE PRUEBA. ..... 55
FIG. 6.2.12. GRÁFICO DE DATOS DEL SENSOR BPW34 DURANTE LA SEGUNDA SEMANA DE PRUEBA. ............. 55
FIG. 6.2.17. UBICACIÓN DEL SMA EN GOOGLE MAPS. .......................................................................... 56
FIG. A.1.1. DIAGRAMA DE CONEXIÓN DEL SENSOR PH METER V1.1 [23] .................................................. 62
FIG. A.4. DIAGRAMA DEL CIRCUITO DIVISOR DE VOLTAJE ........................................................................ 69
1
Capítulo 1: Introducción
1.1. Justificación del proyecto
En el Perú existe la necesidad de encontrar soluciones para el monitoreo ambiental
de muchas zonas geográficas de difícil acceso, debido a los relieves accidentados y
diferentes climas que se presentan en sus regiones. La información que se podría
obtener de un monitoreo ambiental permitiría tomar mejores decisiones para la
solución de diversos problemas del país en diversos campos como son la minería,
agricultura, pesca, etc. De esta manera se reducen costos y tiempo en los proyectos
que se realicen a corto, mediano o largo plazo.
En este documento se propone una solución al desarrollar un nuevo sistema de
adquisición de datos universal multi-sensor y autónomo, capaz de recopilar la mayor
cantidad de datos de diversas variables. Los datos que proporcionan los dispositivos
y sensores actuales permite analizar el potencial energético de una región (por
ejemplo, la energía solar y la energía eólica), identificar zonas de aguas
contaminadas, evaluar movimientos telúricos.
El sistema de medición modular autónomo (SMA) presentado es capaz de realizar
mediciones considerando diferentes condiciones meteorológicas. Cuenta con
conectividad Bluetooth y conexión a Internet mediante Wi-Fi, lo que permite
transmitir información de manera inalámbrica. Para esto, el sistema almacena la
información en su memoria para luego establecer una conexión con algún otro
dispositivo, si lo hubiera, y luego enviar los datos recolectados. Esta transmisión se
puede dar con un dron que posea un sistema de comunicación inalámbrica con el
SMA (Wi-Fi, Bluetooth). Si se tuviesen varios SMAs distribuidos, conociendo la
ubicación de cada SMA mediante su GPS incorporado, el dron podría sobrevolar
todas las ubicaciones de los SMAs y recolectar la información de todos ellos.
El SMA es autónomo debido a que posee su propio sistema de alimentación basado
en energía solar mediante un sistema solar fotovoltaico diseñado a medida.
2
El SMA es de bajo costo para las prestaciones que puede ofrecer, además que es
sencillo de instalar y utilizar. Basta con colocarlo en la zona a evaluar, previa
programación de los sensores a utilizar, y se empezarán a recolectar datos de los
módulos instalados para enviarlos a un servidor.
3
1.2. Objetivos
1.2.1. Objetivo General
Desarrollar un Sistema de Medición Modular Autónomo (SMA) para condiciones
rurales, alimentado por energía solar. Además, debe ser capaz de conectarse con
diferentes tipos de sensores, almacenar los datos y luego enviarlos
inalámbricamente usando tecnología Wi-Fi o Bluetooth a otros dispositivos
recolectores para su análisis posterior.
1.2.2. Objetivos Específicos
* Establecer los parámetros a medir y seleccionar los sensores adecuados para
cada parámetro.
* Realizar la calibración de los sensores que lo requieran y programar el sub-
sistema electrónico para cumplir la función de cada dispositivo utilizado.
* Transmitir la información almacenada en el Raspberry Pi de manera
inalámbrica vía Wi-Fi o Bluetooth a otro dispositivo, como por ejemplo un dron.
Si no se cuenta con otro dispositivo se debe almacenar la información dentro de
la memoria del SMA.
* Diseñar e implementar un sub-sistema de alimentación solar fotovoltaico capaz
de proveer de energía eléctrica al SMA en la intemperie, evaluando el consumo
energético del SMA, incluso si se encuentra cubierto con polvo encima del panel
solar.
* Diseñar y construir un sub-sistema mecánico como estructura del SMA para
soporte de los sub-sistemas para condiciones rurales.
4
1.3. Antecedentes
Existen trabajos previos que desarrollan estaciones meteorológicas que permiten la
medición de diversas variables medioambientales, como la temperatura, presión
atmosférica, humedad relativa, radiación, velocidad del viento, dirección del viento y
precipitación. Garzón y Rincón [1], desarrollaron un sistema que una vez que se realizan
las mediciones, envía los datos a un servidor vía Wi-Fi, así como también almacena la
información en una memoria SD (Ver figura 1.1). Además, el equipo cuenta con un
sistema de energía fotovoltaica que garantiza su funcionamiento, aunque no se cuente
con energía eléctrica en la zona de instalación.
Fig. 1.1. Diseño de prototipo de estación meteorológica para mediciones de variables ambientales [1].
También hay sistemas de monitoreo que se basan en una red de sensores inalámbricos
conectados a un servidor para monitoreo de variables medioambientales. Estos
sistemas aprovechan el concepto de internet de las cosas (Ver figura 1.2), puesto que
5
los datos de cada sensor inalámbrico serán enviados y presentados en plataformas como
Ubidots, ThingSpeak y DataSparkfun. Quiñones-Cuenca, et.al. [2], desarrollaron un
sistema capaz de enviar datos en tiempo real tanto en zonas urbanas como rurales. Sin
embargo, se presenta como una alternativa de bajo costo comparado con otras
estaciones meteorológicas similares. Posee un sistema de abastecimiento de energía
solar para que el sistema sea autónomo. Además, hace un análisis estadístico de los
datos registrados y los compara con los datos obtenidos de una estación meteorológica
comercial.
Fig. 1.2. Arquitectura del sistema de monitoreo de variables medioambientales con plataformas de internet de las cosas [2].
Existen otras alternativas de estación meteorológica más robustas de nivel industrial.
Por ejemplo, la estación meteorológica Pegasus Línea EP 201 (Ver figura 1.3a), la
estación meteorológica Davis Vantage Pro2 (Ver figura 1.3b), la estación meteorológica
Spectrum WatchDog 2700 (Ver figura 1.3c), entre otros productos comerciales.
6
La estación Pegasus cuenta con transmisión de datos mediante telefonía celular
GSM/GPRS. La estación tiene incluido un panel solar y puede programarse alarmas,
además que cuenta con la posibilidad de instalar sensores de tipo pluviómetro,
humedad, temperatura, velocidad y dirección de viento, radiación solar y otros más [3].
La estación Vantage Pro2 registra una gran cantidad de parámetros con gran precisión,
por ejemplo, temperatura, presión barométrica, humedad, punto de rocío,
precipitación, radiación ultravioleta, radiación solar, dirección y velocidad de viento.
Además, muestra la información en una consola y también guarda información para
mostrar por computadora [4]. La estación WD 2700 mide 5 parámetros
simultáneamente, incluido el punto de rocío y sensación térmica, y tiene la posibilidad
de agregar hasta 6 sensores externos, guarda hasta 8800 series de mediciones con un
intervalo de 30 minutos. No posee sistema solar fotovoltaico, pero puede alimentarse
por batería (hasta para 12 meses de funcionamiento) [5].
a) b)
c)
Fig. 1.3. a) Estación meteorológica Pegasus EP 201, empresa TECMES [3]. b) Estación meteorológica Vantage Pro2, empresa Davis Instruments [4]. c) Estación meteorológica WatchDog 2700, empresa Spectrum Technologies [5].
7
Capítulo 2: Marco Teórico
2.1. Sistemas de medición multiparamétricos
Se basa en un sistema de adquisición de datos, convertidor digital-analógico, un
microcontrolador, un microprocesador y software asociado que permite la medición de
diversos sensores.
El sistema de medición modular autónomo (SMA) desarrollado en la presente tesis es
un sistema de medición multiparamétrico y puede tener diversas aplicaciones como en
mediciones medioambientales, monitoreo y control de alimentos, entre otros.
En este proyecto se busca que el SMA sea capaz de adaptarse para realizar mediciones
de cualquier sensor para los diferentes usos que se le puede necesitar, es por ello que
se utilizan varios tipos de comunicación entre dispositivos.
Durante el desarrollo del SMA se utilizaron diferentes sensores que pueden ser
aplicados a diferentes campos. Los usos que se le puede dar a este sistema varía
dependiendo del tipo de sensor a utilizar.
En este capítulo se detallará los parámetros que se buscan medir con el SMA, su
importancia y los dispositivos que cumplen con las características necesarias para
realizar dicha tarea. Además, se dará una breve explicación del principio físico de los
sensores a utilizar.
2.2. Dispositivos y sensores
Los dispositivos mencionados en este capítulo poseen las características que se buscan
en el SMA, ya que son dispositivos precisos, de bajo consumo energético y bajo costo.
Además, la mayoría de estos son comunes en el mercado local.
Entre los dispositivos usados tenemos un minicomputador, un microcontrolador,
conversor ADC y diferentes sensores para los parámetros a medir.
8
El SMA debe cumplir algunas características para considerar que las mediciones
realizadas son confiables. Las características que se busca en el SMA a utilizar son las
siguientes [6]:
* Precisión: En un instrumento o sensor se refiere al grado hasta el cual se puede
detectar diferencias entre las cantidades medidas.
* Exactitud: Es el grado de concordancia hasta el cual da el verdadero valor
respecto al resultado de la medición hecha por el instrumento o sensor.
* Resolución: Indica la capacidad del dispositivo o sensor para distinguir valores
situados muy cerca de la cantidad medida.
2.2.1. Raspberry Pi Zero W
Es un minicomputador de tamaño reducido (65mm x 30mm) y con la ventaja de poder
comunicarse mediante diferentes dispositivos usando protocolos como I2C, SPI,
comunicación serial, etc.
Posee un CPU de 1GHz de un núcleo, memoria RAM de 512MB, Wi-Fi 802.11 b/g/n,
Bluetooth 4.1, puerto micro USB, 40 pines de conexión GPIO.
Además, este minicomputador es de bajo consumo y bajo costo por lo que es ideal para
utilizar en aplicaciones portátiles. Este dispositivo es muy usado en proyectos de IoT
(Internet de las Cosas) debido a la conectividad Wi-Fi que ofrece para conectarse a
Internet. Además, cuenta con conectividad Bluetooth.
Para almacenar la información cuenta con una memoria micro SD que también contiene
su sistema operativo. La información de los sensores se almacena en formato “.csv”. El
programa del sistema modular autónomo está desarrollado en Python.
9
Fig. 2.1. Raspberry Pi modelo Zero W [7].
2.2.2. Arduino Nano 328
El Arduino Nano 328 está basado en el microcontrolador ATmega328. Los
microcontroladores son circuitos integrados programables que se componen de una
unidad de procesamiento, memoria y periféricos de entrada y de salida.
El microcontrolador ATmega328 posee 32KB de memoria flash para almacenar código,
2KB de SRAM y 1KB de EEPROM. Cuenta con 14 pines digitales que pueden ser usados
como entradas o salidas digitales. Además, posee 8 entradas analógicas, cada uno con
resolución de 10 bits. Algunos pines tienes funciones especiales [8]:
- Pines 0 (RX) y 1 (TX): Para recibir y transmitir data serial TTL.
- Pines 2 y 3: Pueden ser configurados como pines de interrupciones externas.
- Pines 4 (SDA) y 5 (SCL): Soportan comunicación I2C usando la librería Wire.
- Pines 3,5,6,9,10 y 11: Proveen salida PWM (modulación de ancho de pulso) de 8-bit.
- Pines 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO) y 13 (SCK): Soportan comunicación SPI con otros
dispositivos.
- Pin RESET: Permite resetear el microcontrolador. Usado para agregar un botón de
reseteo a la tarjeta Arduino.
- Pin AREF: Voltaje de referencia para entradas analógicas.
10
Fig. 2.2. Distribución de los pines de un Arduino Nano 328 [9].
El Arduino Nano 328 es un microcontrolador de bajo consumo que permite obtener
información de una gran variedad de sensores, ya sea mediante lectura de señales
analógicas con una resolución de 10 bits y con un voltaje máximo de 5 Voltios. El Arduino
nano también permite la medición de la frecuencia de la señal hasta 16MHz. También
cuenta con conexión serial mediante pines RX y TX, comunicación SPI y comunicación
I2C. Este Arduino se puede conectar al Raspberry Pi Zero W mediante un cable micro
USB [9].
Fig. 2.3. Arduino modelo Nano 328 [10].
11
2.2.3. ADC ADS1115
El convertidor analógico-digital ADC ADS115 es un dispositivo preciso y de bajo consumo
que permite obtener señales analógicas de voltaje y transformarlas a formato digital
para almacenar o realizar operaciones con una precisión de hasta 16 bits.
El ADS1115 cuenta con un multiplexor (MUX), un PGA (programmable gain amplifier),
un circuito integrado ADC de 16-bit, un voltaje de referencia, un oscilador, un
comparador digital y la interface I2C [11].
Fig. 2.4. Diagrama de bloques del ADC ADS1115 [11].
El PGA permite valores de entrada desde ±256mV hasta ±6.144V, de manera que se
obtienen mediciones precisas en estos rangos de voltaje variando su ganancia. Con esta
opción se puede trabajar con sensores con muy poco voltaje de señal de salida,
permitiendo conectar una mayor cantidad de dispositivos.
Fig. 2.5. ADC ADS1115 [12].
12
2.2.4. GPS Neo 6M
El módulo GPS permite ubicar la posición en el mapa mediante la latitud y la longitud
(sistema de coordenadas en el mapa). Además, da la hora satelital, así como altitud y
velocidad. Este dispositivo tiene la ventaja de fijar la posición rápidamente, además, no
requiere de ninguna conexión de red externa ya que se comunica de modo paralelo a
diferentes satélites, siendo capaz de ubicarlos al instante. Todo esto se logra con un bajo
consumo y una alta performance por lo que es ideal para el proyecto.
Fig. 2.6. Módulo GPS Neo 6M [13].
El GPS Neo 6M cuenta con un microprocesador ARM7TDMI-S, SRAM y RAM backup.
Además, cuenta con el motor GPS y un RTC incorporado. Recibe la señal de frecuencia
de GPS L1, C/A Code (1.023MHz) con hasta 50 canales disponibles, por lo que también
posee filtros digitales de señal. Además, cuenta con comunicación UART, SPI
configurable y USB V2.0 [14].
13
Fig. 2.7. Diagrama de bloques del módulo GPS Neo 6M [14].
2.2.5. MPU6050
El MPU6050 es un IMU (Inertial Measurement Unit) que posee acelerómetro y
giroscopio incorporado donde cada uno posee 3 grados de libertad (6 grados de libertad
en total). El acelerómetro es de tipo capacitivo, una placa se encuentra estacionaria
mientras que la otra placa se encuentra unida a una masa de prueba inercial, que es
libre de moverse dentro de una empaquetadura, uno por eje. El movimiento de la placa
genera un voltaje a partir de su aceleración [15].
Luego la señal pasa por un conversor ADC dedicado por cada eje para obtener salidas
digitales y luego pasan por un acondicionamiento de señal. Cuando el dispositivo se
encuentra en una superficie plana, marcará 0g para los ejes X y Y mientras que para el
eje Z marcará 1g (donde g equivale a la aceleración de la gravedad de 9.81 m/s2). El
giroscopio puede medir la velocidad angular del MPU6050 en 3 ejes distintos, de manera
que se puede evaluar la inclinación del dispositivo en cada eje [16].
Posee tres MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) vibratorios independientes. Su
principio de funcionamiento se basa en el efecto Coriolis. La aceleración Coriolis de un
cuerpo aparece cuando dicho cuerpo se mueve linealmente en un marco de referencia
que está rotando sobre un eje perpendicular a la línea de movimiento. La aceleración
14
resultante, que es directamente proporcional a la velocidad de giro, aparece en el tercer
eje que es perpendicular al plano que contiene los otros 2 ejes. En el MEMS la rotación
es reemplazada por la vibración y la aceleración resultante está relacionada con la
velocidad de movimiento [15].
Esta vibración es detectada por un circuito de captación capacitiva, luego la señal
resultante es amplificada, desmodulada y filtrada para producir un voltaje que es
proporcional a la velocidad angular [16].
Fig. 2.8. Diagrama de bloques del MPU-6050 [16].
Este dispositivo es usado en aplicaciones de navegación, estabilización, drones, entre
otras. Para este proyecto la principal aplicación del sensor será medir el nivel de
vibración del sistema cuando se presente, por ejemplo, algún movimiento telúrico en el
lugar donde será instalado. El nivel de vibración se obtiene mediante un promedio de la
aceleración en los 3 ejes.
15
Fig. 2.9. MPU-6050 [17].
2.2.6. BME280
El BME280 es un sensor que mide la presión barométrica del entorno en donde se
encuentra, además de la humedad y temperatura. Este sensor está especialmente
diseñado para dispositivos móviles, ya que es de bajo costo, bajo consumo energético
(2.7 µA) y está empacado en un tamaño muy pequeño (2.0 x 2.5 mm2). Este dispositivo
tiene una alta precisión de medición y es usado en teléfonos móviles, sistemas de
navegación GPS y relojes inteligentes, entre otros. Además, posee comunicación I2C, por
lo que se puede conectar directamente al Raspberry Pi Zero W [18].
Fig. 2.10. BME280 [19].
El sensor BME280 está basado en un sensor piezorresistivo desarrollado por la empresa
de tecnología Bosch®. Este tipo de sensores requiere de 2 componentes esenciales: Una
membrana de área conocida y un detector que responde a la fuerza aplicada. Ambos
16
componentes pueden ser fabricados de silicio. Un sensor de presión de diafragma de
silicio consiste en un delgado diafragma de silicio como material elástico y resistencias
de calibre piezorresistivo fabricadas por impurezas difusas en el diafragma. La escala de
salida del circuito se encuentra en el orden de cientos de milivoltios, por lo tanto, un
acondicionamiento de señal es necesario para obtener la señal de salida en un formato
aceptable. Además, las resistencias de silicio poseen una fuerte sensibilidad a la
temperatura, sin embargo, cualquiera de los piezorresistivos debe tener una
compensación de temperatura o un circuito acondicionamiento de señal debe incluir la
compensación de temperatura [15].
Fig. 2.11. Diagrama de bloques del BME280 [18].
2.2.7. PH meter V1.1
Este sensor mide el pH de líquidos con alta precisión y bajo costo. Ideal para usar con un
microcontrolador Arduino ya que posee señal de salida analógica y es alimentado por el
mismo Arduino sin requerir de una fuente externa. Se usa para medir la calidad del agua,
aplicaciones de acuicultura, entre otras.
Este sensor consta de dos partes: Una placa del circuito de sensor de pH y la sonda del
sensor de pH con el conector BNC.
17
La placa de circuito contiene la entrada para el conector BNC de la sonda del sensor de
pH, además del potenciómetro para el ajuste de la ganancia y también la interfaz de
salida analógica que va conectada al microcontrolador Arduino.
Fig. 2.12. Diseño de la placa PCB [20].
La sonda del sensor de pH está compuesta por un electrodo hecho de vidrio especial
para mediciones de pH y una composición de referencia para electrodo de plata/cloruro
de plata [21].
Fig. 2.13. Sonda del sensor de pH con conector BNC [22].
18
Antes de utilizar este sensor de manera continua se debe realizar la limpieza del
electrodo y su calibración respectiva. Para la limpieza se puede utilizar agua para lavarlo,
de preferencia se debe utilizar agua desionizada. Para su calibración se requiere utilizar
soluciones estándar de pH con valores de 4.0, 7.0 y 10.0 [23].
El primer paso es utilizar la solución estándar de 7.0 de pH para establecer la
compensación (“Offset”) del sensor. Luego se requiere ajustar la ganancia con el
potenciómetro incorporado, para ello se utilizará la solución de 4.0 de pH si es que se
tomarán medidas con soluciones ácidas, de lo contrario se utilizará la solución de 10.0
de pH si es que tomarán medidas de soluciones alcalinas. Si se requiere tomar medidas
del sensor tanto para soluciones ácidas como alcalinas entonces se debe ajustar la
ganancia utilizando ambas soluciones estándar de 4.0 y 10.0 de pH (Ver Anexo A1).
2.2.8. Sensor fotodiodo BPW34
El sensor BPW34 es un fotodiodo PIN con una alta sensibilidad a la radiación visible e
infrarrojo cercano y tiene gran velocidad de respuesta. Es un sensor de tamaño pequeño
(5.4mm x 4.3mm x 3.2mm) y varía la diferencia de potencial a través de sus terminales
cuando son sometidos a radiación solar [24]. Se puede calibrar usando como medida
patrón los valores de un piranómetro y comparándolos con los valores de voltaje que se
genera del sensor BPW34.
Fig. 2.14. Sensor fotodiodo BPW34 [25].
19
2.2.9. Anemómetro JL-FS2
Este es un sensor que permite medir la velocidad de viento con gran precisión,
transformando dicha velocidad que varía entre 0m/s a 30m/s en una señal de voltaje
que varía entre 0V a 5V, por lo cual es muy común usarlo junto con un Arduino. Además
de ser muy preciso también posee una gran dureza, protección contra la corrosión y es
a prueba de agua. Necesita un voltaje de alimentación de entre 9V a 24V [26].
Fig. 2.15. Anemómetro JL-FS2 [27].
20
2.3. Medición de parámetros
2.3.1. Energía renovable
En una región o zona geográfica específica se puede realizar el estudio de algunos
parámetros de energía renovable, como son la energía solar y la energía eólica. El
abastecimiento de energía eléctrica para alguna vivienda o local se puede satisfacer con
este tipo de energía. Considerando la cantidad de energía renovable que se disponga se
puede analizar la información de algunos sensores que puedan medir estos parámetros
y así evaluar la viabilidad de esta fuente de energía.
Para la medición de energía solar se usa el sensor fotodiodo BPW34, que emite una señal
analógica de voltaje respecto a la energía solar. Para la medición de energía eólica se
usa el sensor anemómetro JL-FS2, que indica la velocidad del viento como un valor de
voltaje.
2.3.1.1. Energía Solar
Para medir la radiación solar es necesario un dispositivo fotosensible que
tenga una buena respuesta para el rango de 300nm a 2800nm
aproximadamente. El sensor fotodiodo BPW34 produce un voltaje
proporcional a la cantidad de radiación que recibe. Si comparamos la
medida de un piranómetro, que es un dispositivo diseñado para medir la
cantidad de radiación solar, con el voltaje proporcionado por el sensor
BPW34 para las mismas condiciones, entonces se podrá calcular la
irradiancia en KW/m2 obteniendo una constante para el sensor entre los
milivoltios generados por la cantidad de KW/m2. Para la medición de los
milivoltios generados se usa el módulo ADC ADS1115.
21
2.3.1.2. Energía Eólica
La energía eólica se puede expresar en KWh (unidad de energía). Para
esto se calcula la cantidad de masa de aire de un cierto volumen, luego
con esta masa se puede hallar la energía cinética de esta porción de aire.
Para obtener la energía cinética se necesita conocer la velocidad del
viento, además de la densidad y el área superficial que ya son datos
conocidos. Para obtener la velocidad del viento se usa el sensor
anemómetro JL-FS2, el cual transforma la velocidad del viento en un valor
de voltaje conocido, definiendo una constante entre ambos parámetros.
La velocidad del viento se registra en voltaje (señal analógica) y luego se
convierte a m/s.
2.3.2. Calidad de agua
Uno de los parámetros más usados para medir la calidad del agua es el valor de pH. El
rango de pH varía entre 0 hasta 14, siendo el valor de pH 7 como neutral mientras que
los valores menores a 7 indican acidez de la muestra y los valores mayores a 7 indican
que la muestra es alcalina o considerada también como base. El agua pura tiene un valor
de pH igual a 7. El rango normal de pH del agua superficial varía entre 6.5 a 8.5.
Para medir el valor de pH se usa el sensor PH meter V1.1, el cual nos proporciona un
valor de voltaje que se puede leer con el Arduino Nano. Este voltaje es proporcional al
valor de pH. El PH meter V1.1 debe ser previamente calibrado con soluciones estándar
de pH de 4.0, 7.0 y 10.0.
2.3.3. Movimiento telúrico
Se puede detectar si existe movimiento telúrico en la zona donde se encuentra el
sistema modular autónomo mediante un sensor acelerómetro, ya que se puede
programar para que registre valores de nivel de vibración actual en el sistema. Este nivel
de vibración se obtiene de promediar la aceleración en cada uno de los ejes del sensor,
22
por tanto, el nivel de vibración tiene la misma unidad física que la aceleración de un eje.
A mayor ruido en la señal será mayor la vibración registrada.
2.3.4. Temperatura
La temperatura es una magnitud física muy importante de medir como variable
medioambiental. Representa la cantidad de energía térmica que posee un cuerpo y su
variación está muy relacionado a otras magnitudes físicas. En este caso se mide la
temperatura ambiente del SMA con el sensor correspondiente.
2.3.5. Humedad relativa
Es el porcentaje de la cantidad de vapor de agua que está presente en una masa de aire
respecto a la máxima cantidad de vapor que podría tener, para una misma temperatura
y presión. Con este valor se puede calcular la densidad de aire.
2.3.6. Presión barométrica
Se define como la presión de la atmósfera ejercida en un punto dado, que varía respecto
a las condiciones climáticas locales. Se considera que a nivel del mar la presión
barométrica está definida con el valor de 1 atm, que equivale a 101325 Pa. Este
parámetro es una herramienta muy importante para pronosticar el tiempo, ya que la
variación de la presión indica un cambio en las condiciones climáticas. Un aumento de
presión hace referencia a que el clima mejora, mientras que una caída de la presión
indica lo contrario.
23
2.4. Sistema solar fotovoltaico
Es el sistema capaz de suministrar energía eléctrica a equipos de corriente continua o
alterna, mediante la transformación de energía solar. Además, almacena la energía
restante que se obtiene para ser utilizada durante periodo de poca radiación solar. Su
principio de funcionamiento se basa en el efecto fotovoltaico.
2.5. Componentes de un sistema solar fotovoltaico
2.5.1. Panel solar fotovoltaico
Está compuesto por celdas fotovoltaicas conectadas entre sí para producir voltajes
desde los 12V hasta los 36V generalmente. Estas celdas fotovoltaicas están compuestas
por material fotosensible, el más usado actualmente es el Silicio.
Existen diferentes tipos de paneles solares fotovoltaicos, entre ellos están los paneles
policristalinos, monocristalinos, películas delgadas, etc. Cada uno de estos tiene sus
ventajas y desventajas respectivamente. Para este sistema modular autónomo se usará
un panel solar monocristalino ya que poseen una mayor eficiencia de conversión de la
energía, considerando las altas temperaturas registradas en épocas de verano.
Fig. 2.5.1. Panel solar monocristalino 30W-12V [28].
24
2.5.2 Regulador de carga
El regulador de carga es un dispositivo que protege la batería de una sobrecarga que
puede ser producida por un panel solar cuando se excede la energía máxima que puede
almacenar dicha batería. También realiza un corte de energía de los consumos de
corriente o cargas cuando el nivel de carga de la batería es demasiado bajo, de manera
que puede ocurrir una descarga profunda de dicha batería, lo que produciría sulfatación.
Además, posee una protección ante un cortocircuito ya que tiene integrado un fusible
que evita daños al regulador, así como a los consumos de corriente [29].
Algunos modelos cuentan con una pantalla o visualizador que muestra el estado en el
que se encuentra el regulador, así como algunos botones para su configuración.
Fig. 2.5.2. Regulador de carga Victron Light 12V-10A [30].
2.5.3. Batería
La batería permite almacenar energía que se genera durante el día mediante los paneles
solares para luego usarla en las noches o durante día nublados donde es más difícil
obtener energía solar. Esta energía almacenada se mantiene a un nivel estable de
voltaje, que varía entre los 14.4V (carga máxima) hasta los 10.5V (descarga máxima)
para una batería de 12V nominales. Luego se usa esta energía para alimentar los
sistemas eléctricos que se usan durante los periodos de consumo energético. Entre sus
características principales se encuentran:
25
- La capacidad de la batería, máxima capacidad de energía que se puede
almacenar, está se mide en Amperios-hora (Ah) que expresa la cantidad de horas que
puede dar energía consumiendo 1 Amperio de corriente.
- La profundidad de descarga, es el porcentaje máximo de la batería que puede
ser usado sin perjudicar la vida útil de la batería.
- La vida útil, es la cantidad de ciclos de carga y descarga que soporta una batería
asegurando un correcto funcionamiento.
Fig. 2.5.3. Batería 12V-7Ah de Pb [31].
26
Capítulo 3: Desarrollo del sub-sistema electrónico y el
código de programación
3.1. Esquema de conexiones del SMA
El sub-sistema electrónico del SMA se basa en el Raspberry Pi Zero W y en el Arduino
Nano 328, con la posibilidad de agregar o quitar dispositivos como un ADC ADS1115 que
tiene mejor resolución que un Arduino Nano 328, sensores con conexión digital o de
salida analógica.
El dispositivo principal es el Raspberry Pi Zero W, este almacena toda la información de
los sensores conectados al Sistema. La conexión a los sensores se puede hacer a través
del Arduino Nano 328 (sensor de pH), usando un ADC externo a través de I2C (sensor
fotodiodo BPW34 y anemómetro JL-FS2), o directamente a los sensores a través de I2C
(MPU6050, BME280). Por último, el Raspberry Pi Zero W envía la información
recolectada a una base de datos mediante Wi-Fi o Bluetooth para el análisis de datos.
El sub-sistema electrónico presenta la siguiente distribución:
Fig. 3.1.1. Diagrama de conexiones del sub-sistema electrónico.
27
Para poder colocar los dispositivos dentro de la caja de plástico se diseñaron pequeñas
piezas en 3D con el programa SolidWorks® que funcionan de soporte y luego se utilizó
una impresora 3D con material PLA para producir dichas piezas.
a) b)
c) d)
e) f)
f)
Fig. 3.1.2. a) Soporte ADC ADS1115. b) Soporte Arduino Nano 328. c) Soporte BME280. d) Soporte GPS Neo 6M. e) Soporte Raspberry Pi Zero W. f) Soporte MPU6050. g) Soporte para PCB del pH meter v1.1.
28
Estos soportes se adhieren a la caja con un pegamento instantáneo Triz® (Industrial
Beta) y se aseguran usando tornillos M2,5 x 0,50. Para las conexiones entre dispositivos
se utiliza cables Dupont y cable micro USB. Todo el circuito se coloca dentro de una caja
de paso de cable de 15cm x 15cm para proteger a sus componentes de las condiciones
climáticas.
Fig. 3.1.3. Circuito dentro de caja de plástico de 15cm x 15cm.
3.2. Tipos de comunicación e interfaces
El Raspberry Pi Zero W tiene 40 pines GPIO en su placa. La mayoría de estos pines son
programables como entrada o salida digital. Para nuestros dispositivos sólo usaremos
los protocolos de comunicación serial (USB y UART) y I2C. También posee comunicación
SPI, interfaz I2S para audio digital, salidas PWM e incorporación opcional de una
memoria serie en la placa de expansión.
29
La comunicación I2C es un tipo de comunicación serial y se basa en la comunicación entre
un dispositivo maestro (o varios dispositivos maestros) y uno o varios dispositivos
esclavos. Tiene la ventaja de conectar muchos dispositivos a través de 2 cables, llamados
SDA (Serial Data) y SCL (Serial Clock). Cada dispositivo esclavo adquiere una dirección
específica dada por el dispositivo maestro, de modo que se diferencian entre sí los
dispositivos esclavos [32].
El prototipo de SMA desarrollado en esta tesis cuenta con 3 dispositivos conectados
mediante I2C; el sensor de presión barométrica BME280 (dirección 0x77), el IMU
MPU6050 (dirección 0x68) y el módulo ADC ADS1115 (dirección 0x48).
Por otro lado, el Raspberry Pi Zero W puede usar la comunicación serial para conectarse
vía USB a un Arduino, que posee 6 entradas analógicas de voltaje entre 0 a 5 voltios. El
sensor PH meter V1.1 se conecta al sistema modular autónomo mediante una entrada
analógica y el Arduino envía datos a través del puerto USB del Raspberry Pi Zero W.
El GPS Neo 6M es conectado a los pines UART del Raspberry Pi Zero W.
Luego, el Raspberry Pi Zero W almacena la información de cada uno de los sensores en
un archivo con formato “.csv” dentro de la memoria micro SD que posee el Raspberry Pi
Zero W. Estas mediciones se registran junto con la hora satelital que se obtiene del GPS.
Fig. 3.2.1. Datos del sensor BMP280 en formato “.csv” para visualizar en Excel.
30
3.3. Código de programación y configuración del sistema
El Raspberry Pi Zero W debe ser configurado para habilitar las interfaces que posee. Lo
primero que debe realizarse es instalar el sistema operativo en la memoria micro SD que
se va a utilizar. En el SMA se instaló el sistema operativo Raspbian.
Luego se actualizó el sistema, para habilitar los pines UART y los pines de comunicación
I2C, habilitar la comunicación Bluetooth y por último configurar la red Wi-Fi y habilitar la
comunicación por SSH para el acceso remoto mediante una red local.
Se accedió inalámbricamente al terminal del Raspberry Pi Zero W para realizar las
últimas configuraciones al final de la instalación del SMA. Se utilizó un Smartphone como
punto de acceso, al cual se conectó tanto el Raspberry Pi Zero W como una laptop que
tenga instalado el programa PuTTY (cliente SSH) para conexión segura de acceso remoto
por terminal en una red local. Para acceder al terminal del Raspberry Pi Zero W se debe
conocer su dirección IP en la red local.
Una vez se ingresa al terminal del Raspberry Pi Zero W con el programa PuTTY, se solicita
el nombre de usuario y contraseña, por defecto el usuario es “pi” y la contraseña es
“raspberry”, aunque se puede modificar estos valores para mayor seguridad. Luego se
puede activar el archivo Crontab en el terminal del Raspberry Pi, para automatizar la
ejecución del programa principal desarrollado en Python. Para la prueba con los
sensores se programó la ejecución cada minuto durante 7 días.
31
Fig. 3.3.1. Configuración del programa PuTTY.
Todo el código de programación del SMA se encuentra escrito en el lenguaje de
programación Python. Es necesario instalar algunas librerías que permiten recopilar la
información de los sensores y dispositivos, para este caso específico se usaron las
librerías indicada en la tabla 3.1.
Tabla 3.1. Librerías Python usadas en el código de programación
Librería Uso
Adafruit_Python_ADS1x15-master ADC ADS1115
Adafruit_Python_BME280-master BME280
mpu6050-raspberrypi MPU6050
Adafruit_Python_GPIO-master Pines GPIO
El SMA se programa para registrar la información cada cierto periodo de tiempo de
acuerdo a las necesidades del usuario, y debe ser programado previamente antes de
ubicarlo en su estación de medición.
32
La estructura del código de programación está compuesta por funciones de medición de
cada dispositivo, además de una función que guarda información en archivos de formato
“.csv”, lo que permite visualizar los datos como documento de Microsoft Excel®. Por
último, el código intenta encontrar la ubicación del sistema modular autónomo
mediante el módulo GPS en el intervalo de tiempo de aproximadamente 1 minuto,
además de actualizar la fecha y hora del minicomputador.
Fig. 3.3.2. Diagrama de bloques del código de programación.
33
Capítulo 4: Diseño del sub-sistema de alimentación
solar fotovoltaico
El SMA funciona durante todo el día, pero debido a las pocas fuentes de energía que se
encuentra en zonas alejadas de las ciudades se debe diseñar un sub-sistema de
alimentación capaz de suministrar todo el sistema mientras realiza las mediciones
correspondientes.
Para lograr que el SMA funcione de manera autónoma se diseñó un sub-sistema de
alimentación energética que sea capaz de mantener operativo en todo momento los
sensores, microcontroladores y minicomputador. Para ello se realizó previamente el
cálculo de la cantidad de energía que necesita el sistema para funcionar correctamente.
Para este SMA de bajo costo y bajo consumo se puede usar una alternativa de energía
limpia como es el uso de un sistema solar fotovoltaico. Este sub-sistema comprende el
uso de un panel solar fotovoltaico, una batería y un regulador de carga.
4.1. Evaluación del consumo energético del SMA
Para diseñar un sub-sistema de alimentación que pueda satisfacer la demanda
energética del SMA es necesario evaluar cuanta energía consume durante todo su
periodo de funcionamiento. Se usó un multímetro marca PRASEK Premium PR-301C
para medir la corriente consumida por el SMA.
A continuación, se presenta una tabla con los valores de corriente consumidos por cada
dispositivo del sistema.
34
Tabla 4.1. Consumo de corriente de los dispositivos conectados
Dispositivo Consumo de corriente (mA)
Raspberry Pi Zero W 110.0 ± 1.3 Arduino Nano 33.4 ± 0.6 ADC ADS1115 0.0 ± 0.2 GPS Neo 6M 56.2 ± 0.8
MPU6050 1.5 ± 0.3 BME280 0.0 ± 0.2
PH meter V1.1 11.9 ± 0.4 Anemómetro 32.3 ± 0.6
El módulo ADC ADS1115, así como el sensor BMP280 no consumen corriente durante
periodos de espera, debido a que se encuentran en estado “single-shot” (los dispositivos
son automáticamente apagados después de una medición, activándose solamente
durante la medición realizada).
Según sus especificaciones, estos dispositivos consumen en modo de conversión
continua aproximadamente 150 µA (ADC ADS1115) y 2.7 µA (BME280) respectivamente.
El voltaje de alimentación para el SMA con todos los sensores y dispositivos conectados
es nominalmente de 5 V. Experimentalmente se midió el voltaje de la fuente que
alimenta a todos los dispositivos del SMA y fue de 5.10 ± 0.04 V.
4.2. Efecto del polvo en la eficiencia de los paneles solares
Conociendo que el SMA operará sin poder limpiarse por largos periodos de tiempo, se
debe considerar que el polvo y la contaminación afectarán el rendimiento del panel
solar, debido a que afectará el flujo luminoso que llega a la superficie del panel.
Por tanto, al momento de realizar el cálculo de tamaño del panel solar y de la capacidad
máxima de la batería se debe tener en cuenta el porcentaje de eficiencia obtenida por
un modelo real de sistema fotovoltaico.
Existen estudios que determinan la reducción del rendimiento de energía eléctrica del
sistema solar fotovoltaico respecto al tiempo que transcurre. Para un periodo de 7 días,
30 días y 60 días se acumula 55 mg/m2, 260 mg/m2, 425 mg/m2 de polvo en la superficie
35
de un panel solar respectivamente. En este estudio se analizó el rendimiento de un panel
solar monocristalino de 75 W de potencia y se obtuvo una reducción de 2.96% de
rendimiento cuando la cantidad de polvo es de 260 mg/m2 y una reducción de 5.79%
cuando la cantidad de polvo es de 425 mg/m2 [33].
4.3. Dimensionamiento del sistema
Para dimensionar un sistema solar fotovoltaico se requiere definir qué tipo de panel
solar, regulador de carga y baterías serán necesarias en base al consumo de la carga del
SMA.
Fig. 4.3. Estructura de un sistema solar fotovoltaico de corriente continua.
De la Tabla 4.1 se obtiene que el consumo total de corriente máximo que necesita el
sistema modular autónomo es aproximadamente 245.5 mA, y considerando el voltaje
medido de 5.1V podemos obtener la potencia del SMA.
𝑃 = 𝑉 × 𝐼 (Ec.1)
Por tanto, la potencia es de 1.25 W, lo que equivale a un consumo diario (E)
considerando un funcionamiento continuo (24 horas) del SMA de 30.05 Wh/día.
𝐸 = 30.05 𝑊ℎ/𝑑í𝑎 (Ec.2)
36
4.4.1. Potencia pico del panel solar
Se debe calcular la potencia pico del panel solar (Wp), para ello es necesario conocer las
horas de sol pico (HSP) y el rendimiento del sistema (RS).
𝑊𝑝 × 𝐻𝑆𝑃 × 𝑅𝑆 = 𝐸 (Ec.3)
Las HSP representan la cantidad de horas al día que se consideran a la energía por unidad
de superficie con una irradiancia constante de 1000 W/m2, se calculan como una
relación entre la energía solar diaria (Esol) con la irradiancia a condiciones estándar (GSTC).
𝐻𝑆𝑃 =𝐸𝑠𝑜𝑙
𝐺𝑆𝑇𝐶 (Ec.4)
Despejando estas ecuaciones se obtiene el valor de la potencia pico del panel solar.
Para Lima, la Esol está considerada en aproximadamente 3120 Wh/m2 al día en promedio
para las peores condiciones (estación de invierno), siendo el valor de GSTC de 1000 W/m2.
Además, se considera el rendimiento del sistema con el valor de 0.7 aproximadamente
(valor típico).
𝑊𝑝 =𝐸×𝐺𝑆𝑇𝐶
𝐸𝑠𝑜𝑙×𝑅𝑆 (Ec.5)
Por tanto, la potencia pico necesaria del panel solar es 13.76 W. Sin embargo,
considerando el efecto del polvo existe una disminución del rendimiento del panel solar
de aproximadamente 7% para 2 meses en condiciones rurales, entonces el resultado
final es de aproximadamente 14.80 W.
Durante las pruebas en Lima se usó un panel solar monocristalino de 30 W que da
suficiente energía para la etapa de prueba del sistema.
37
4.4.2. Capacidad de las baterías
Respecto a las baterías a usar, se debe calcular la capacidad de las baterías. La relación
entre la energía de la batería (Eb), el voltaje del sistema (Vs) y la capacidad de las baterías
(C) está dada por la ecuación.
𝐸𝑏 = 𝑉𝑠 × 𝐶 (Ec.6)
Además, a esta ecuación se le debe agregar la eficiencia del regulador (ƞreg) para obtener
el consumo diario (E).
𝐸 = 𝑉𝑆 × 𝐶 × ƞ𝑟𝑒𝑔 (Ec.7)
Despejando la ecuación se obtiene
𝐶 =𝐸
𝑉𝑆×ƞ𝑟𝑒𝑔 (Ec.8)
Considerando que el rendimiento del regulador a utilizar debe ser mayor o igual a 90%,
el voltaje del sistema es 12V y el consumo diario es de 30.05 Wh; reemplazando en la
Ec.8, se obtiene una capacidad de 2.78 Ah por día.
Se consideró que las baterías de Pb pueden descargarse máximo hasta en un 30% de su
capacidad total, ya que de lo contrario se reduciría su tiempo de vida útil. Por ello, se
debe considerar una capacidad mínima de 3.97 Ah por día.
Además, es necesario considerar que las baterías de Pb deben suministrar suficiente
energía para algunos días de funcionamiento del SMA.
𝐶𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐶 × 𝑁°𝑑í𝑎𝑠 𝑎𝑢𝑡𝑜𝑛𝑜𝑚í𝑎 (Ec.9)
Para 3 días de autonomía se requiere una capacidad total de 11.91 Ah, por lo que se
usarán 2 baterías en paralelo de 12V y 7Ah cada una, de manera que se obtiene una
capacidad total de 14Ah.
38
Capítulo 5: Diseño y construcción del sub-sistema
mecánico
De los capítulos anteriores ya se tiene una idea de las dimensiones que requieren tanto
el sistema solar fotovoltaico y la caja de sensores. A continuación, se definirá la
estructura que debe tener el sub-sistema mecánico para cumplir con algunas
condiciones necesarias para el correcto funcionamiento del SMA.
Las condiciones climáticas a las que estará expuesto el SMA producirán daños a los
dispositivos que lo conforman. Es por ello que se plantea utilizar el panel solar en la
parte superior como techo para proteger a los demás dispositivos del impacto directo
de los rayos solares, así como de la lluvia.
El SMA debe tener un peso considerable, ya que los fuertes vientos podrían
desestabilizar la estructura y caerse al suelo. Se propone utilizar una caja de madera en
la base para colocar las baterías y, de ser necesario, agregar tierra dentro de la caja para
aumentar el peso de la estructura, o en todo caso si el terreno lo permite se podría
enterrar toda la caja de madera cavando un agujero grande en el suelo y luego
colocando la tierra encima para rellenarlo.
La caja de sensores se ubica en el medio de la estructura, para que no existan problemas
de comunicación con otros dispositivos, además que se pueden agregar sensores por
fuera de la caja de sensores usando los espárragos.
Para diseñar el modelo propuesto se utilizó el programa SolidWorks® que permite
realizar diseños mecánicos en 3D y realizar modificaciones previos a la construcción de
la estructura del SMA, de manera que se corrigen errores en el diseño antes de empezar
la construcción, ahorrando costos y tiempo en el desarrollo del proyecto del SMA.
39
Fig. 5.1. Diseño 3D del sub-sistema mecánico propuesto.
5.1. Base
La base del sistema de medición modular autónomo estará compuesta por una caja de
madera que dará la estabilidad que requiere. Posee unas dimensiones de 25cm x 25cm
con una altura de 20cm. En el centro de la caja se colocaron 4 tuercas para madera. Estas
tuercas sostendrán 4 espárragos de acero inoxidable (tipo rosca exterior de 5/16") que
permiten colocar a la altura deseada los diferentes dispositivos usado las tuercas
necesarias para ajustarlos. Estos espárragos de acero inoxidable a su vez estarán
protegidos por tubos de PVC que además darán mayor estabilidad al sistema en caso de
vientos fuertes y tormentas. También se colocan las baterías (12V-7Ah) como se muestra
para ahorrar espacio. Los bornes de las baterías son previamente cubiertos de silicona
junto con los cables de alimentación para protegerlos de la humedad y de la lluvia.
Esta caja puede ser colocada sobre una superficie plana debido a que el peso de todo el
sistema permite generar la estabilidad suficiente. Sin embargo, también se podría cavar
un agujero en la tierra si es que las condiciones lo permiten para luego enterrar el
40
sistema y luego cubrirlo con la misma tierra para generar más peso y estabilidad al
sistema.
Fig. 5.1.1. Base del sub-sistema mecánico compuesta por una caja de madera que contiene 2 baterías y las tuercas para madera para colocar los espárragos de acero inoxidable.
5.2. Soporte
La parte del soporte está compuesta por los espárragos de acero inoxidable, estos se
ajustan a la base mediante tuercas para madera colocadas en la base. En el espacio
restante quedan los espárragos expuestos para colocar la caja de sensores como se
observa en la figura 5.2.1.
Debido al movimiento que se generaba en la parte superior al aplicar una fuerza, se
reforzó la estructura colocando tubos de PVC desde la base hasta la mitad
aproximadamente del tamaño total de los espárragos. Estos espárragos se pueden
cortar para hacer el SMA aún más compacto o se pueden conseguir de mayor tamaño si
es que se planea agregar sensores que requieran colocarse fuera de la caja de sensores,
adaptando unas tuercas extra y pequeñas estructuras elaboradas con platinas de acero
inoxidable.
41
Fig. 5.2.1. Vista superior del soporte del sub-sistema mecánico.
La caja de circuito es una caja de plástico de 15cm x 15cm. En ella se acomodan los
dispositivos, además de perforar unos huecos pequeños a los costados para introducir
los cables de alimentación. Se elaboraron bases pequeñas (Ver fig. 3.1.2) las cuales
permiten fijar a las tarjetas y sensores a la caja de plástico. Estas bases fueron diseñadas
en 3D y luego impresas con una impresora 3D (Prusa i3 Pro X) en material PLA negro.
Luego se colocó la tapa de la caja de plástico que tiene incorporado el módulo GPS y el
regulador de carga. El módulo GPS es colocado afuera de la caja porque de lo contrario
es más difícil captar la señal de los satélites. El regulador de carga se conecta a las
baterías, el regulador de 12V a 5V y el panel solar y se ajustó la tapa con las tuercas en
el espárrago.
42
a)
b)
Fig. 5.2.2. a) Vista superior del soporte con la base de caja de sensores. b) Vista superior del soporte con la tapa de la caja de sensores.
5.3. Techo
Por último, en la parte superior se coloca un soporte para el panel solar elaborado con
platinas de acero inoxidable. Este soporte tiene las dimensiones exactas para ajustar el
panel solar monocristalino de 30W y también los 4 espárragos de acero inoxidable.
Además, posee un pívot que permite ajustar el ángulo de inclinación del panel solar para
43
maximizar la iluminación solar al panel durante el año. Otra función del panel solar es
proteger de la radiación solar y de la lluvia a la caja que contiene el sub-sistema
electrónico y algunos sensores.
a)
b) c)
Fig. 5.4. a) Estructura de soporte del panel solar con un pívot para modificar la inclinación del panel solar. b) Vista lateral del SMA a 0°. c) Vista lateral del SMA con inclinación 45°.
44
El SMA está conectado a otros sensores como el anemómetro JL-FS2. Este sensor podría
ser incorporado entre los espárragos del sistema o se podría ubicar como se muestra en
la figura 5.5.
a)
b)
Fig. 5.5. a) SMA con panel solar inclinado 30°. b) SMA con panel solar a 0°.
45
Capítulo 6: Recolección y análisis de datos
En los capítulos anteriores se describió la construcción de cada uno de los sub-sistemas
que conforman el SMA, así como sus principales características. La siguiente etapa
consiste en registrar datos reales de todos los sensores como pruebas de campo. Para
ello se instaló el SMA en la Facultad de Ciencias de la Universidad Nacional de Ingeniería,
Lima, Perú. La ubicación exacta se consigue mediante el GPS instalado en el SMA. La
instalación consiste en armar el prototipo en el lugar seleccionado como se indica en la
construcción del sub-sistema mecánico, luego se configura el programa para que realice
mediciones cada minuto registrando los datos de los sensores en la tarjeta de memoria
micro SD. El siguiente paso consiste en recolectar la información guardada en la
memoria micro SD mediante algún otro dispositivo que permita establecer una conexión
inalámbrica entre ambos dispositivos.
Para comprobar que el SMA es completamente autónomo se hizo la prueba durante 7
días encendido y tomando medidas de los sensores cada minuto. Después de la prueba
el equipo estuvo funcionando y con la batería con más del 90% de carga.
6.1. Recolección inalámbrica de datos
Los datos obtenidos por los sensores son almacenados en la memoria micro SD del
Raspberry Pi Zero W del SMA. Existen algunos métodos para la transmisión inalámbrica
de dichos datos, como por ejemplo agregar al SMA unos transceptores de
radiofrecuencia para envío de datos a larga distancia. Sin embargo, el Raspberry Pi Zero
W cuenta con tecnología Wi-Fi y Bluetooth, que puede ser usada para el envío de datos,
pero con un alcance más corto.
Al momento de instalar el SMA en su estación de medición durante el periodo de
prueba, se realizó la programación del sub-sistema electrónico mediante el protocolo
de comunicación SSH (“Secure Shell”) que permite acceder, mediante acceso remoto, a
la información del Raspberry Pi Zero W por una canal seguro y cifrado desde una laptop,
estableciendo entre ellos una conexión Wi-Fi a través de un punto de acceso. En este
46
caso se hizo uso de un teléfono móvil Android (marca Redmi Note 5), que sirvió como
punto de acceso, para establecer dicha conexión. La ventaja respecto a este método de
transmisión de datos es que se puede realizar incluso si el punto de acceso no cuenta
con internet, basta con dejar ambos dispositivos (laptop y Raspberry Pi Zero W)
conectados a la señal de Wi-Fi del punto de acceso.
Se instaló un programa para poder acceder al terminal del Raspberry Pi Zero W usando
el SSH, para ello se instaló el programa PuTTY en la laptop. Este programa requiere la
dirección IP del Raspberry Pi Zero W, además el nombre de usuario y la contraseña. Una
vez se accede al terminal es posible la configuración del sub-sistema electrónico como
se indicó en el capítulo 3.
Se usó el programa WinSCP para transferir el archivo que contiene los datos de los
sensores en formato “.csv” del Raspberry Pi Zero W a una laptop.
Fig. 6.1. Transferencia de datos inalámbrica usando Wi-Fi entre una laptop y el SMA.
Otra opción es usar la conexión Bluetooth del Raspberry Pi Zero W para realizar la
transferencia de archivos a una computadora o un Smartphone. En primer lugar, se debe
emparejar el Raspberry Pi Zero W del SMA con otro dispositivo que cuente con
Bluetooth, como puede ser una laptop o un Smartphone. Para realizar el
emparejamiento se debe activar en ambos dispositivos la opción de transferir por
47
Bluetooth. Luego, se puede realizar la transferencia manual, que consiste en seleccionar
el archivo a transferir desde el Raspberry Pi Zero W y recibirlo desde el otro dispositivo,
lo cual no es práctico si consideramos que el SMA debe conectarse automáticamente al
otro dispositivo.
Por tanto, en ambos casos se debe desarrollar un código en Python que se ejecute
paralelamente, de manera que cada cierto tiempo busque establecer conexión con otro
dispositivo vía Wi-Fi o Bluetooth, y luego transfiera automáticamente los archivos. En
este caso se usaría un dron como vehículo aéreo no tripulado con otro Raspberry Pi Zero
W configurado capaz de recibir la información.
6.2. Validación y análisis de los resultados
Para comprobar la autonomía del SMA se puso a prueba durante 2 semanas. La primera
semana desde el jueves 28 de febrero hasta el jueves 7 de marzo del año 2019, mientras
que la segunda semana desde el lunes 8 de abril hasta el lunes 15 de abril del año 2019.
Ambas pruebas fueron hechas en el techo de los laboratorios de la Facultad de Ciencias
de la Universidad Nacional de Ingeniería, Lima, Perú.
Durante este tiempo se analizó las variaciones de voltaje y corriente del SMA, para
verificar la estabilidad de la energía suministrada por el sistema solar fotovoltaico. Se
usó el sensor ACS712T-5A para la medición de la corriente y un circuito divisor de voltaje
para la medición del voltaje. En los anexos A3 y A4 se explica el procedimiento de
calibración de dichos dispositivos.
Se habilitaron todos los dispositivos para las semanas de prueba del SMA, excepto el
sensor de pH (DFRobot ph meter v1.1) debido a que las muestras y mediciones de este
sensor se hicieron en laboratorio. A continuación, se muestran los datos obtenidos.
48
Fig. 6.2.1. Gráfico de datos del sensor de corriente durante la primera semana de prueba.
Fig. 6.2.2. Gráfico de datos del circuito divisor de voltaje durante la primera semana de prueba.
49
Fig. 6.2.3. Gráfico de datos de temperatura del sensor BME280 durante la primera semana de prueba.
Fig. 6.2.4. Gráfico de datos de presión del sensor BME280 durante la primera semana de prueba.
50
Fig. 6.2.5. Gráfico de datos de humedad del sensor BME280 durante la primera semana de prueba.
Fig. 6.2.6. Gráfico de datos de nivel de vibración del MPU6050 durante la primera semana de prueba.
51
Fig. 6.2.8. Gráfico de datos del anemómetro JL-FS2 durante la primera semana de prueba.
Durante la primera prueba se utilizó el fototransistor BPX43 para medir la respuesta del
voltaje respecto a la radiación solar, sin embargo, el sensor se saturó y las mediciones
no fueron adecuadas, para la siguiente prueba se utilizó el fotodiodo BPW34.
Fig. 6.2.7. Gráfico de datos del sensor BPX43 durante la primera semana de prueba.
52
Los datos de la segunda semana de prueba se muestran a continuación.
Fig. 6.2.10. Gráfico de datos del sensor de corriente durante la segunda semana de prueba.
Fig. 6.2.9. Gráfico de datos del circuito divisor de voltaje durante la segunda semana de prueba.
53
Fig. 6.2.14. Gráfico de datos de temperatura del sensor BME280 durante la segunda semana de prueba.
Fig. 6.2.13. Gráfico de datos de presión del sensor BME280 durante la segunda semana de prueba.
54
Fig. 6.2.15. Gráfico de datos de humedad del sensor BME280 durante la segunda semana de prueba.
Fig. 6.2.16. Gráfico de datos de nivel de vibración del MPU6050 durante la segunda semana de prueba.
55
Fig. 6.2.11. Gráfico de datos del anemómetro JL-FS2 durante la segunda semana de prueba.
Fig. 6.2.12. Gráfico de datos del sensor BPW34 durante la segunda semana de prueba.
56
Por último, se obtuvo la posición del SMA mediante el módulo GPS y se colocaron las
coordenadas en la página web de Google maps®. Las coordenadas obtenidas del GPS
son precisas y en promedio se obtuvo:
Latitud -12.0173139668, Longitud -77.05021122.
Fig. 6.2.17. Ubicación del SMA en Google maps®.
57
Conclusiones
Se logró construir un sistema de medición modular autónomo (SMA) para la medición
de variables medioambientales en zonas rurales.
El SMA es un sistema autosuficiente, sin tener que pasar por mantenimiento cada cierto
periodo de tiempo. A pesar de que los paneles solares requieren una limpieza ya que en
zonas rurales tiende a desarrollar una capa de polvo encima del panel, lo que disminuye
su eficiencia al momento de transformar la energía solar en energía eléctrica, se debe
prever que es necesario un extra de energía en el dimensionamiento respectivo.
La potencia de consumo del sistema y todos los sensores conectados fue de 1.25W. El
dimensionamiento del sistema fotovoltaico fue suficiente para un funcionamiento
continuo del sistema. Para probarlo, durante 7 días continuos se midieron todos los
parámetros considerados y se graficaron las mediciones respecto al tiempo
transcurrido.
La información de los sensores se puede recolectar mediante conexión a internet si es
que hubiera cobertura de la señal, por ejemplo, conectarse a una red Wi-Fi de un
modem inalámbrico de internet, este modem alimentado también por el sistema solar
fotovoltaico.
58
Recomendaciones
Debido a que este es un sistema de medición abierto es posible reemplazar a todos los
sensores y cada uno de ellos podría tener un principio distinto de funcionamiento, y por
tanto un consumo diferente. Por ello, se recomienda usar el mismo análisis energético
realizado en esta tesis para poder dimensionar el sub-sistema de alimentación
fotovoltaico.
Debido a que en la tesis se ha desarrollado un prototipo inicial, la base fue construida
usando madera, sin embargo, sería recomendable en un futuro desarrollar una caja de
plástico resistente. Dependiendo del tipo de sensor que se va utilizar sería
recomendable diseñar diversas estructuras de soporte ad-hoc para cada sensor.
Debido a que el SMA posee la capacidad de conexión por Bluetooth o Wi-Fi, en el caso
que se tuviese un conjunto de SMAs distribuidos sobre un área determinada, un dron
podría sobrevolar dicha área y conectándose a cada uno de los SMAs, podría recolectar
la información puede pasar por cada estación instalada, ya que se conoce su ubicación
mediante el módulo GPS que posee el sistema, y recoger dichos datos cada cierto
periodo de tiempo, para luego pasar al análisis respectivo de la información.
59
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61
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62
Anexos
A.1. Calibración del sensor de pH
Para poder utilizar el sensor pH meter V1.1 se debe realizar las conexiones del sensor
con la entrada del conector BNC de la placa PCB del sensor. Luego se conectan los 3
pines de la placa PCB a la placa Arduino, en las entradas de 5V, GND (0V) y el pin
analógico (en este caso pin A2).
Fig. A.1.1. Diagrama de conexión del sensor pH meter V1.1 [23]
El siguiente paso para la calibración es conectar la placa Arduino a una PC y cargar el
código dado por el mismo fabricante. En el código se debe definir el “offset” que es la
compensación que se agrega para definir el valor de pH 7.0. Para ello se debe usar una
solución estándar de pH 7.0 que sirve como solución de referencia. Es decir, si se mide
63
un valor de 6.78 con el sensor usando la solución estándar, entonces se debe agregar el
valor de la diferencia, en este caso de 0.22 en el “offset”.
Código Arduino del fabricante: /* # This sample code is used to test the pH meter V1.1. # Editor : YouYou # Date : 2014.06.23 # Ver : 1.1 # Product: analog pH meter V1.1 # SKU : SEN0161 */ #define SensorPin A2 //pH meter Analog output to Arduino Analog Input 2 #define Offset 0.00 //deviation compensate #define LED 13 #define samplingInterval 20 #define printInterval 800 #define ArrayLenth 40 //times of collection int pHArray[ArrayLenth]; //Store the average value of the sensor feedback int pHArrayIndex=0; void setup(void) { pinMode(LED,OUTPUT); Serial.begin(9600); Serial.println("pH meter experiment!"); //Test the serial monitor } void loop(void) { static unsigned long samplingTime = millis(); static unsigned long printTime = millis(); static float pHValue,voltage; if(millis()-samplingTime > samplingInterval) { pHArray[pHArrayIndex++]=analogRead(SensorPin); if(pHArrayIndex==ArrayLenth)pHArrayIndex=0; voltage = avergearray(pHArray, ArrayLenth)*5.0/1024; pHValue = 3.5*voltage+Offset; samplingTime=millis(); } if(millis() - printTime > printInterval) //Every 800 milliseconds, print a numerical, convert the state of the LED indicator { Serial.print("Voltage:"); Serial.print(voltage,2); Serial.print(" pH value: "); Serial.println(pHValue,2);
64
digitalWrite(LED,digitalRead(LED)^1); printTime=millis(); } } double avergearray(int* arr, int number){ int i; int max,min; double avg; long amount=0; if(number<=0){ Serial.println("Error number for the array to avraging!/n"); return 0; } if(number<5){ //less than 5, calculated directly statistics for(i=0;i<number;i++){ amount+=arr[i]; } avg = amount/number; return avg; }else{ if(arr[0]<arr[1]){ min = arr[0];max=arr[1]; } else{ min=arr[1];max=arr[0]; } for(i=2;i<number;i++){ if(arr[i]<min){ amount+=min; //arr<min min=arr[i]; }else { if(arr[i]>max){ amount+=max; //arr>max max=arr[i]; }else{ amount+=arr[i]; //min<=arr<=max } }//if }//for avg = (double)amount/(number-2); }//if return avg; }
65
Luego, si se realizan mediciones en muestras para valores de pH entre 0.0 y 7.0 para
muestras ácidas, entonces se calibrará el sensor con una solución estándar de pH 4.0,
usando el potenciómetro incorporado a la placa PCB. En caso se realicen mediciones en
muestras alcalinas que tengan valores de pH entre 7.0 y 14.0, se calibrará el sensor con
la solución estándar de pH 10.0.
Para poder comprobar si la calibración del sensor se realizó de manera correcta, se
elaboraron 10 muestras en el laboratorio. Luego se procedió a medir el pH de las
muestras usando un phmetro comercial marca HANNA INSTRUMENTS HI 2211. Por
último, se realiza la medición de pH con el sensor ph meter v1.1.
Tabla A.1. Datos experimentales obtenidos de 10 muestras de pH
# de prueba
Phmetro Comercial HANNA instruments HI 2211 ph/oRP
Meter
PHMETRO PRUEBA DFROBOT ph meter
v1.1
1 1.46 1.49
2 2.18 2.31
3 3.16 3.31
4 4.86 6.44
5 5.65 6.68
6 6 6.52
7 6.51 7.07
8 9.15 8.51
9 7.47 7.27
10 9.55 7.61
66
A.2. Circuito de sensor fotodiodo BPW34
El sensor fotodiodo BPW34 es un sensor que produce muy poco voltaje entre sus
terminales. Una opción para realizar las mediciones de los valores bajos de voltaje es
diseñar un circuito amplificador de señal. Otra opción es utilizar el conversor análogo
digital ADC ADS1115 que posee una resolución de 16-bit, además que se puede asignar
como rango más pequeño el valor de ±256mV.
Para calibrar este sensor se usó el multímetro digital DM3068 marca RIGOL de 6 dígitos
de precisión. Se hizo la comparación de los datos obteniéndose una gráfica con
tendencia lineal.
Tabla A.2. Datos obtenidos del sensor fotodiodo BPW34
B (16-bit desde -32768 a 32768) Valor ADC ADS1115
V (V) Voltaje de multímetro
-5 0.000413 ± 0.000005
148 0.001605 ± 0.000005
232 0.002253 ± 0.000005
344 0.003129 ± 0.000005
486 0.004251 ± 0.000005
803 0.006726 ± 0.000005
928 0.007702 ± 0.000005
1723 0.013913 ± 0.000006
2689 0.021468 ± 0.000006
7196 0.056696 ± 0.000007
Con los datos obtenidos se obtiene una ecuación a partir de una regresión lineal, la cual
es usada en el código de programación para obtener los valores exactos de voltaje del
sensor fotodiodo BPW34.
𝑉 = (8 × 10−6) × 𝐵 − 4 × 10−4 (Ec. A.2)
67
A.3. Calibración sensor de corriente
El sensor de corriente usado es el ACS712T-5A que tiene la capacidad de medir corriente
desde los -5A hasta el rango de +5A. Este sensor es económico, pero tiene la desventaja
de su poca precisión. Posee 2 pines de alimentación y 1 pin de señal analógica desde 0V
hasta 5V respecto a la corriente que pasa por el sensor. Considerando una relación lineal
entre las mediciones se obtiene la siguiente ecuación:
𝑉 = 𝑚𝐼 + 2.5 (Ec. A.3.1)
Donde la pendiente m expresa la sensibilidad del sensor, por tanto:
𝐼 =𝑉−2.5
𝑚 (Ec. A.3.2)
Por dato del fabricante se obtiene que la sensibilidad del sensor es de 185mV/A.
Al realizar algunas pruebas con el multímetro marca PRASEK Premium PR-301C para
mediciones de corriente se obtiene que las mediciones del sensor de corriente no son
muy precisas, por lo que se realiza un promedio de varios datos para obtener una mejor
medición. Además, la sensibilidad dada por el fabricante no es exacta comparando con
las mediciones del multímetro, por lo que se procede a hallar una nueva constante a
partir de la comparación de las mediciones experimentales.
Tabla A.3. Datos obtenidos del sensor de corriente
V (V) Valores obtenidos
del sensor
I (A) Medido con el
multímetro
2.505 0.000 ± 0.002
2.513 0.062 ± 0.003
2.516 0.079 ± 0.003
2.519 0.105 ± 0.004
2.520 0.111 ± 0.004
2.595 0.640 ± 0.008
68
Con los datos obtenidos se obtiene una nueva ecuación a partir de una regresión lineal,
la cual es usada en el código de programación para obtener los valores exactos de
corriente del SMA.
𝐼 = 7.0804 × 𝑉 − 17.733 (Ec. A.3.3)
69
A.4. Circuito divisor de voltaje para medir voltaje de la batería
Para medir el voltaje de la batería durante los días de medición se realizó un pequeño
circuito que disminuye el voltaje hasta un valor capaz de ser aceptado por el ADC
ADS1115 o el Arduino. Para ello se utilizaron 2 resistencias de precisión con valores en
relación de 1 a 2 debido a que la batería llega a un valor máximo de 14.8V cuando la
carga es completa. Con esta distribución se obtiene hasta un tercio del valor máximo,
por lo que no se excede el valor de 5V.
La medición de las resistencias con el multímetro marca PRASEK Premium PR-301C. Los
valores obtenidos fueron de 1089 y 570 ohmios respectivamente.
Fig. A.4. Diagrama del circuito divisor de voltaje
Los datos obtenidos de las pruebas realizadas fueron los siguientes.
Tabla A.4. Datos obtenidos del circuito divisor de voltaje
V(V) Voltaje del circuito divisor de voltaje
Vbat(V) Voltaje de las
baterias
3.918 11.77 ± 0.08
4.076 12.24 ± 0.09
4.283 12.87 ± 0.09
4.386 13.18 ± 0.09
4.594 13.80 ± 0.09
4.803 14.43 ± 0.10
70
De los datos obtenidos se procede a realizar la regresión lineal para hallar la ecuación
que se agregará al código de programación
𝑉𝑏𝑎𝑡 = 3.0072 × 𝑉 − 0.0129 (Ec. A.4)
71
A.5. Evaluación económica del proyecto
Después de obtener los resultados finales del SMA se evalúa el costo total del proyecto.
En primer lugar, se hace una evaluación del costo de los dispositivos usados en el sub-
sistema electrónico. Considerando que en algunos casos se debe realizar la importación
del producto final, se debe incluir el precio del transporte.
Tabla A.3.1. Costos de dispositivos para el sub-sistema electrónico
Dispositivo Costo unitario (S/.)
Raspberry Pi Zero W 105.00 Memoria micro SD 20.00 Arduino Nano 20.00 ADC ADS1115 20.00 GPS Neo 6M 70.00 BMP280 15.00 Cables dupont 15.00 MPU6050 18.00 Ph meter V1.1 Pro kit 186.40 Sensor fotodiodo BPW34 17.50 Sensor anemómetro JL-FS2 178.40
Total 665.30
Luego, para el sub-sistema mecánico se requiere de materiales para su construcción. En
este caso no se está considerando el costo de soldadura ni de uso de la fresadora, ya
que todo se desarrolló en el taller mecánico de la Facultad de Ciencias sin costo.
Tabla A.3.2. Costos de materiales para el sub-sistema mecánico
Materiales Costo unitario (S/.)
Caja de madera para base 20.00 Tuercas para madera 8.00 Varillas espárrago acero inoxidable 52.00 Tuercas acero inoxidable 31.00 Platina de 1 pulgada acero inoxidable 25.00
Total 136.00
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Por último, se indica el precio de los componentes del sub-sistema de alimentación solar
fotovoltaico.
Tabla A.3.3. Costos del sub-sistema de alimentación solar fotovoltaico
Dispositivo Costo unitario (S/.)
Panel monocristalino 30W 12VDC 97.50 2 Baterías 7Ah 12VDC Ritar 98.00 Regulador de carga 10A-12VDC Victron Light
136.50
Total 332.00
Por tanto, sumando el costo de cada sub-sistema se obtiene el costo total del SMA.
Tabla A.3.4. Costo total del SMA
Sub-sistema Costo unitario (S/.)
Electrónico 665.30 Mecánico 136.00 Alimentación solar fotovoltaico 332.00
Total 1133.3