8.- La estación de monitoreo

Esquema de la estación autónoma de medición remota.

Esquema de la estación autónoma de medición remota.

La necesidad de medición de distintos conjuntos de variables de interés en lugares remotos, con difícil acceso e infraestructura reducida o inexistente, requiere de la implementación de dispositivos autónomos capaces de manejar distintos sensores periféricos, controlados de manera independiente y en cadencias particulares de acceso y registro. Si bien existen en el mercado una plétora de registradores de datos comerciales, muchas veces el diseño de los mismos, la implementación de los protocolos de adquisición, o simplemente el uso de tecnologías privativas, se conjugan de manera tal que se hace imposible la utilización de estos registradores en ciertas áreas específicas de medición. El reciente desarrollo y masificación de computadores de placa única (SBC, Single Board Computers, por sus siglas en inglés), como el conocido Raspberry Pi, nos ha permitido la constitución de una estación integral, de bajo consumo y autónoma de adquisición, análisis, cifrado y transferencia de datos.

La estación de monitorio RACIMO

La estación meteorológica RACIMO es un dispositivo de monitoreo de variables climáticas de bajo costo. Este dispositivo está formado por seis bloques principales. :

Figura 1. Estructura de la estación meteorológica RACIMO.

Figura 1. Estructura de la estación meteorológica RACIMO.

¿Qué hace cada bloque?

  • Alimentación: Este bloque se encarga de suministrar el voltaje necesario a la estación para su correcto funcionamiento. La alimentación puede provenir directamente del toma corriente de la casa a través de un cargador de 5 Voltios. Como alternativa se puede usar una batería conectada a un panel solar, para que se recargue con la luz del Sol.
  • Raspberry Pi: es un dispositivo electrónico que hace las veces de computador, por lo que se le conoce como computador embebido. Es de bajo costo y se controla mediante un sistema operativo denominado Raspbian. En este caso, la Raspberry Pi cumple la función de controlador de la estación de monitoreo, es decir, se encarga de administrar los otros bloques que componen la estación, almacenar datos y enviarlos vía internet a un repositorio central.
  • Arduino: El Arduino (o Arduino Uno) permite el control de la adquisición de los datos provenientes de los sensores conectados a la estación de monitoreo, para su posterior envío a la Raspberry Pi. Cada uno de los sensores se conectan al Arduino Uno por medio de una tarjeta shield.
  • GPS: El sistema de posicionamiento global (GPS) permite tener la ubicación exacta de la estación meteorológica, así como la sincronización temporal de los datos adquiridos para saber los momentos exactos en los cuales fueron registradas las variables climáticas. En este caso se usa un GPS-Venus.
  • Comunicación WiFi: La estación meteorológica es totalmente autónoma, para ello se estableció una conexión inalámbrica por medio de un módulo WiFi, que permite enviar los datos registrados a través de internet a un repositorio central.
  • Sensores: Las diferentes variables climáticas como presión, temperatura, iluminancia, irradiancia, humedad relativa, ruido entre otras, se registran a través de diferentes sensores, los cuales están conectados a la tarjeta Arduino Uno mediante la shield.

 

Figura 2. Cargador de la estación meteorológica.

Cargador de la estación meteorológica.

Figura 3. Batería y panel solar del sistema de alimentación autónomo.

Batería y panel solar del sistema de alimentación autónomo.

Figura 4. Raspberry pi.

Raspberry pi.

Figura 5. Arduino Uno.

Arduino Uno.

Figura 6. Tarjeta para la conexión de los sensores.

 Tarjeta para la conexión de los sensores.

Figura 7. Sistema de posicionamiento global de la estación meteorológica.

Sistema de posicionamiento global (GPS-Venus) de la estación meteorológica.

Figura 8. Módulo WiFi de la estación meteorológica.

Módulo WiFi de la estación meteorológica.

Figura 9. Izquierda - sensor de presión y temperatura, derecha – sensor de iluminancia.

Izquierda – sensor de presión y temperatura, derecha – sensor de iluminancia.

 

¿Dónde se ubican estos bloques?

Figura 10. Estructura plástica de la estación meteorológica.

Estructura plástica de la estación meteorológica.

Todos los bloques de la estación de monitoreo están dispuestos en una estructura plástica diseñada con el objetivo de soportar todas las partes protegiéndolas del agua, esto con el objeto de preservar y garantizar el buen funcionamiento de los elementos y dispositivos electrónicos.

 

 

 

 

 


 

Los sensores en detalle

  • Presión y temperatura: Este sensor, de referencia MPL115A2, es un sensor que permite medir presión absoluta (con una precisión de ±1 kPa) y temperatura (con presición de 1° C). Este sensor se alimenta con un voltaje entre 2.375V a 5.5V y usa un protocolo de comunicación entre I2C para enviar los datos registrados.
    • ¿Cómo se conecta? La conexión de este sensor al Arduino Uno se realiza a través de la conexión de los pines VDD, GND, SDA y SCL:
Figura 12. Conexión del sensor MPL115A2 con la Arduino Uno.

Conexión del sensor MPL115A2 con la Arduino Uno.

Figura 11. Sensor MPL115A2

Sensor MPL115A2

  • Los datos de presión y temperatura se obtienen desde el sensor a través de la librería MPL115A2.h.  Las principales funciones de esta librería son:
    • mpl115a2_init(); — Función de inicio del sensor
    • mpl115a2_Medir_Presion(); — Función para adquirir la presión
    • mpl115a2_Medir_Temperatura(); — Función para adquirir la temperatura

 

  • Sensor de iluminancia: La iluminancia permite determinar el flujo luminoso recibido en una superficie, y se mide en unidades de lux. Para medir iluminancia se diseñó un sensor basado en el principio de funcionamiento de la resistencia dependiente de la luz (LDR). La LDR es sensible a ciertas longitudes de onda, en este caso luz visible.
Figura 13. Resistencia dependiente de luz.

Resistencia dependiente de luz.

Figura 14. Respuesta espectral relativa de la LDR.

Respuesta espectral relativa de la LDR.

  • ¿Cómo es el circuito? El circuito implementado se trata de un simple divisor de tensión, para ello se conecta en serie, a la LDR, una resistencia R = 1000 Ohm. El voltaje de la LDR, y su respectiva resitencia, están dado por las expresiones:

ec1

ec2

  • La relación entre iluminancia y la resistencia LDR esta dada por la expresión:

ec5

  • El circuito del sensor de iluminancia:
Figura 16. Circuito del sensor de iluminancia.

Circuito del sensor de iluminancia.

Figura 17. Circuito impreso del sensor de iluminancia.

Circuito impreso del sensor de iluminancia.

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