DISEÑO DE UNA ESTACIaN METEOROLOGICA AUTOMATICA.pdf

7/24/2019 DISEO DE UNA ESTACIaN METEOROLOGICA AUTOMATICA.pdf

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DISEO DE UNA ESTACIN METEOROLOGICA AUTOMTICA

ngel M. Lpez Vieddma.

Laboratorio de Electrnica CITEC-FIUNATelfono (595) 21 646 150Isla Bogado-Luque, Paraguay

Correo electrnico: [email protected]

lvaro Reyes MellaTelfono (595) 971 301 089

Asuncin- ParaguayCorreo electrnico: [email protected]

Mara Sol Bentez SosaDivisin de Meteorologa Facultad Politcnica UNA

Telfono (595) 585 588Campus Universitario- San Lorenzo, Paraguay

Correo electrnico: [email protected]

ResumenEl presente trabajo consiste en el desarrollo completo de una estacin meteorolgica automtica desde el

hardware, concebido a travs de una arquitectura modular tal como un sistema de control industrial

distribuido, hasta el software de coleccin y visualizacin de dato necesario para implementar un Servicio

Meteorolgico ntegro que permita el estudio de las variables meteorolgicas. En todo momento del diseo se

tuvieron en cuenta los siguientes requisitos: sencillez, costo, facilidad en el mantenimiento y una aceptable

robustez en el funcionamiento. El envi de datos desde la estacin hasta el Centro de Coleccin y

Procesamiento de Datos, se realiza a travs de una interfaz serial RS485 o en su defecto a travs de un

modem GSM.Palabras claves: arquitectura modular, control industrial distribuido, variables meteorolgicas,

procesamiento de datos, interfaz RS485, mdem GSM.

Abstract

The present work consists of the complete development of an automatic weather station from the hardware,conceived through a modular architecture as a system of distributed industrial control, to the software ofcollection and visualization of data necessary to implement complete a Meteorological Service that allows thestudy of the meteorological variables. At any moment of the design the following requirements considered:simplicity, cost, facility in the maintenance and an acceptable robustness in the operation. It sent of data fromthe station to the Center of Collection and Data processing, is made through a serial interface RS485 or in itsdefect through a modem GSM.

1. IntroduccinActualmente las informaciones de las ciencias meteorolgicas son sumamente importantes en todos losmbitos de la sociedad y est directamente relacionada o ligada al desarrollo de la economa de un pas;ganadera, agricultura, turismo, etc.Gracias al avance de la instrumentacin y los sistemas de cmputos en los ltimos aos ha permitido obtenerun registro de variables ms completo y eficiente, mediante el uso computadoras personales, cuyo campo deaplicacin no se ha limitado tan slo al rea del monitoreo y control de procesos, sino que tambin est siendoaplicado en el registro de variables fsicas en general.Actualmente existen estaciones meteorolgicas que satisfacen estos requerimientos, sin embargo el nmero deestas en condiciones operativas es reducido y con un costo muy elevado. Por ello, en nuestro pas estainformacin an es escasa, o bien se conoce de manera puntual.La razn de contar con un sistema de adquisicin de datos de variables meteorolgicas que permita elmonitoreo de manera eficiente y un bajo costo de operacin y mantenimiento a llevado a la necesidad dedisear por completo una estacin meteorolgica automtica de similares prestaciones a las comerciales.A continuacin se enumera los siguientes requerimientos que debe cumplir el sistema:


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1. Medir al menos las variables de temperatura, velocidad y direccin del viento, humedad relativa, presinatmosfrica y precipitacin.

2. Ser de fcil instalacin, fcil manejo y uso, de bajo costo y autnomo.

3. Poseer capacidad de ampliacin en cuanto al nmero de sensores y actualizacin del sistema.4. Disponibilidad de los datos en todo momento para ser almacenados y procesados en forma centralizada.5. Los datos adquiridos sean significativos y de fcil interpretacin.6. Los datos recolectados sean confiables.7. La transmisin de datos y estado del sistema sean automticos.En este trabajo se describe el diseo y la implementacin de una estacin meteorolgica automticaconsistente de un sistema de adquisicin y almacenamiento de datos autnomas que se comunica a travs deuna interfaz RS485 Centro de Procesamiento de Datos. El proceso de diseo involucra la seleccin de lossistemas de adquisicin de las variables climatolgicas de inters, los sistemas que permiten su digitalizacin,procesamiento, almacenamiento y posterior envo. El proceso de diseo tambin implica la creacin deprogramas que permitan que el usuario pueda almacenar, analizar e interpretar los datos recogidos.Para cumplir las especificaciones anteriormente citadas se ha desarrollado una arquitectura enteramentemodular, que no consiste en disponer de un gran nmero de entradas para distintos sensores, sino un sistemaque puede crecer en tamao segn las prestaciones. Por otro lado, se ha solventado el problema del alto costede los sensores de medicin, puesto que se ha trabajado directamente sobre los transductores y se hanrealizado los circuitos de acondicionamiento y de proteccin a medida para constituir sensores completos deprestaciones similares a los comerciales. A continuacin se explica conceptualmente cmo se ha logrado.

2. Descripcin General del SistemaTomando en cuenta las consideraciones de diseo anteriores, resultaron en un sistema que se puederepresentar esquemticamente la arquitectura en la Figura 1.

Bus CAN

Nodo de

Comunicacin

Nodo de Control

y Supervisin de

Suministro de

Energia

Nodo de

Configuracin y

Visualizacin

Nodo de

Al ma ce na miento

y control

Nodo

Sensor 1

Nodo

Sensor

n-1

Nodo

Sensor n

Bus CAN

Transeiver CAN

Controlador

CA N

D/A

C

PIC18F458

Sensor

Seal

analgica

Tramas

CA N

Nodo

Sensor

Mdem

GSM

Mdem

SatelitalMdem

Serial

Panel

Solar

Batera

EEPROMs

RT C

LCD Teclado

Figura 1: Arquitectura de la Estacin Meteorolgica


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De acuerdo a este esquema la estacin meteorolgica se ha concebido como si se tratara de un sistema decontrol distribuido industrial, no como una serie de sensores en torno a una unidad central que realiza lasfunciones de control y de almacenamiento. Partiendo de los elementos transductores, se ha desarrollado una

serie de sensores inteligentes, que comunican los datos digitalmente al cual se lo denomina en forma genricaun nodo sensor. De este modo, cada nodo sensor posee su transductor, su circuito de acondicionamiento yproteccin y un microcontrolador que se encarga de la conversin de su seal en un dato digital que se sitaen un bus multipunto del que cuelgan todos los dems nodos sensores, el nodo de almacenamiento y control,el nodo de comunicacin, el nodo de control y supervisin de suministro de energa y el nodo de visualizaciny configuracin.La confiabilidad del sistema descansa en gran medida en la robustez del bus que interconectan a estosmdulos, por ello la eleccin correcta de una tecnologa de bus es fundamental. Se ha escogido adoptar el busCAN [1] por diversas razones, entre las cuales podemos citar su amplia implementacin en sistemas decontrol industrial, la normalizacin de su capa fsica (ISO 11898) [2] y la disponibilidad de controladores debajo costo.Aprovechando las ventajas que el bus CAN ofrece, fue posible plantear la arquitectura arriba presentada, detal forma que cada nodo pueda tener acceso a los dems y dividir las tareas. Del mismo modo establecer unalgoritmo de control distribuido robusto y bastante sencillo desde el punto de vista de la instalacin y elmantenimiento. La idea fundamental que subyace en este planteamiento es disponer de distintos mdulos,cada uno de ellos con un objetivo especfico, funcionando en forma paralela e independiente los unos de losotros.Dado que los mdulos; nodos sensores, nodos de almacenamiento y control, etc., tienen como misincontrolar o ejecutar determinados aspectos de la estacin, ser necesario un intercambio de informacin entreellos. Es ah donde se aprovecha las ventajas que ofrece el bus CAN. Los mdulos conectados al bus nopresentan direcciones especficas. En lugar de eso la informacin se compone de mensajes etiquetados con unidentificador que determinar prioridad del mensaje y contenido. Como parte del diseo, se correspondeasignar un significado a cada identificador, teniendo presente que la estructuracin adecuada de los mismosredituar en el rendimiento del sistema.Cada mdulo conectado al bus recibe el mensaje y, en funcin a su contenido, realiza las acciones pertinentes.Considerando que el valor asignado al identificador de los mensajes establece la prioridad del mismo, seelabor un esquema en el cual existan categoras de los mensajes y cada una de ellas posea un rango de

valores permitidos para su identificacin. De acuerdo a esto se establecieron las siguientes categoras con elrango de valores de sus identificadores, presentados en la tabla siguiente:

Categora Rango de id.1 Descripcin

Mensajes de alarma 100-130 Mensajes que indican el estado del mdulo que requiera serconocidos por los dems de forma inmediata

Mensajes de eventos 200-230 Mensajes originados por los mdulos a partir de la conclusin deuna determinada tarea

Mensajes de consultas 300-330 Mensajes originados en un mdulo destinado a otros para suposterior respuesta.

Mensajes de

configuracin ymantenimiento

400-430 Mensajes originados exclusivamente o por el mdulo de

configuracin y visualizacin o por el Centro de procesamiento deDatos a travs del mdulo de comunicacin para el mantenimientoy la configuracin de los dems mdulos.

Como ejemplo, podemos mencionar que el mensaje originado en nodo sensor del cual forma parte el sensorde temperatura est dentro de la categora de mensajes de eventos, y le corresponde el valor de 210. Otroidentificador que podemos indicar es el de mensajes de consulta, como ser el de mensaje de consulta detemperatura, el cual le corresponde el valor de 310. Y de la misma manera podemos citar al mensaje depresin con el valor de identificador 211 y 311, correspondiendo el primero a la categora de mensajes deeventos y el segundo al de mensajes de consulta.

1Id: Identificador.


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De esto se puede observar que existe una relacin entre los mensajes de eventos y de consultas, sin embargohay que sealar que los mensajes de consultas generados por los nodos sensores cuyas respuestas pueden sergenerados por los mismos u otro nodo sensor no son posibles. Los mensajes de consultas destinados a los

nodos sensores solo pueden ser generados por otros mdulos ajenos a la tarea de adquisicin de datos de lasvariables meteorolgicas.As cada sensor viene asociado a dos mensaje uno de consulta y el otro de evento con sus respectivosidentificadores de tal forma a diferenciarse dentro de la estacin meteorolgica. De este modo, el mdulo dealmacenamiento y control reconoce los datos presentes en el bus de informacin y almacena los datosconsecuentemente. Lo nico necesario para aadir ms sensores a esta arquitectura es dotarla de un nodosensor que se adecue a la estructura de mensajes y que enve datos de forma digital en el bus. Queda a cargodel nodo sensor las funciones de conversin y de tratamiento de la seal, liberando de trabajo al mdulo dealmacenamiento y haciendo que no se requiera tener dispuestas un nmero determinado de entradas de cadatipo.Para que este desarrollo sea posible fue necesario trabajar con transductores y no con sensores comerciales.Cumplindose tambin el objetivo de hacer que la estacin sea de bajo coste, puesto que los sensores amedida desarrollados son mucho ms econmicos que los tradicionales.Adems al poseer un microcontrolador cercano al sensor, se obtiene una mejor precisin de las medidas,puesto que la seal del sensor es inmediatamente convertida en un valor digital, aumentndose de esta manerala confiabilidad en la adquisicin de los datos.Todo el sistema descrito anteriormente tiene como funciones principales el de adquirir los datos de lasvariables meteorolgicas, procesarlos, almacenarlos y enviarlos al Centro de Coleccin y Procesamiento deDatos. Este centro tiene la funcin de recibir informacin proveniente de la Estacin, procesarla yalmacenarla para su posterior anlisis, tambin es funcin de la misma transmitir instrucciones hacia laEstacin cuando stas se requieran.En las secciones siguientes se describe resumidamente el funcionamiento de cada mdulo componente de laestacin meteorolgica, como tambin el software de procesamiento del Centro de Coleccin.3.- Nodo Sensor (NS)El nodo sensor se compone de un microcontrolador con el controlador CAN incorporado internamente, el olos sensores y un adaptador de bus CAN (Figura 2). El microcontrolador digitaliza las medicionesprovenientes de los diferentes sensores, y luego crea la trama de datos para enviarla a travs del bus hacia el

nodo de Almacenamiento y Control. Los intervalos de tiempo entre mediciones sucesivas son configurablesva Nodo de Configuracin y Visualizacin o desde el Centro de Coleccin y Procesamiento de Datos a travsdel Nodo de Comunicacin.Las variables que se miden mediante estos nodos sensores son: temperatura ambiente, humedad relativa,direccin y velocidad del viento, presin atmosfrica en superficie y precipitacin acumulada.Ms abajo se detallan las caractersticas de los sensores empleados as como tambin del microcontrolador.3.1 Temperatura Ambiente: se mide mediante el sensor digital el SHT723, de Sensirion Company, [3]3.2 Humedad relativa: se mide mediante el sensor digital el SHT723, de Sensirion Company, [3]3.3 Direccin del viento: se mide mediante una veleta, se diseo y desarroll en los Laboratorios del CITEC,FIUNA [5].3.4 Velocidad del viento: se mide mediante un anemmetro, de Keiki Seisakusho .3.5 Presin Atmosfrica: se mide mediante un sensor de presin de 15 PSI.3.3 Precipitacin Acumulada:se mide mediante un pluvimetro2, reacondicionado en los Laboratorios del

CITEC, FIUNA [5]3.4 Microcontrolador: se utiliz el PIC18F458, de Microchip Company, [6]

2Adaptado de un pluvigrafo


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4.- Nodo de Almacenamiento y Control (NAC)Este nodo se compone de un microcontrolador, un banco de memorias externas eeprom[7] con interfaz i2c[8] y un circuito de reloj maestro desarrollado alrededor del integrado DS1307 [9] (Figura 3 y 4). Elmicrocontrolador se encarga de recibir las tramas de datos provenientes de los nodos sensores a travs del

bus, procesarlas y dirigirlas al banco de memorias eeprompara su almacenamiento. El circuito de reloj generalos pulsos de reloj que determina el periodo de generacin y envo de mensajes de peticin de tomas de datospor parte del microcontrolador hacia los nodos sensores. Tambin este circuito integrado posee un relojcalendario, el cual se utiliza para agregar a los datos de una estampa de tiempo que indique la fecha y elmomento en que se realiz la adquisicin de datos. Los dems nodos pueden solicitar, va mensajes deconsulta la fecha y la hora actual, este ltimo expresado en horas, minutos y segundos.Este circuito de reloj viene provisto de una batera nquel-cadmio de modo a proporcionar un respaldo deenerga cuando el nivel de tensin de la batera principal del sistema cae por debajo de un determinado valor.El banco de memoria est compuesto de un arreglo de ocho memorias seriales 24LC515 obteniendo en totaluna capacidad de 512Kbyte ampliable a otro grupo de ocho pudindose llegar hasta 1Mbyte. Tanto lasmemorias seriales como el DS1307 se encuentran conectados al microcontrolador a travs del bus i2c.

Figura 2 Nodo Sensor Genrico

Figura 3 Banco de Memorias eeproms y RTC


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5. Nodo de Comunicacin (NC)

Se compone bsicamente de un microcontrolador y de las interfaces para el CAN y la comunicacin serial

(Figura 4). Para esta ltima cuenta con dos interfaz, una para el estndar RS-232 el cual posibilita la conexincon el modem GSM. La otra interfaz es el estndar RS-485, el cual conecta directamente la estacin con elCentro de Coleccin y Procesamiento de Datos si sta se encuentra en un radio no mayor a 500 m.La comunicacin desde el Centro y la estacin es bidireccional de tal forma que de la misma manera en quese reciben datos se puedan enviar comandos.

El formato de la trama de intercambio entre la estacin y el centro posee un formato nico y esta compuestode la siguiente manera: 1 byte para la cabecera de inicio de trama, 2 bytes para el identificador de origen de latrama, 1 byte para indicar el tipo de mensaje, 2 bytes que indican longitud del campo de datos, el campo dedatos de longitud variable indicado por el campo de longitud y por ltimo 2 bytes que contienen el cdigoverificador de la correccin de la trama (CRC-16), [10] como se puede observar en la Figura 5.Para las tramas originadas desde la estacin hacia el Centro cuyo contenido sea mensajes de transmisin dedatos de las variables meteorolgicas, se dispone del caracter punto y coma (;) como separador para losdistintos datos de los sensores dentro del campo de datos. Esto se realiz a los efectos de facilitar, una vezdescargados los datos, la exportacin de los mismo hacia una planilla de clculos tipo Excel.Son funciones de este nodo el recibir mensaje desde el Centro, traducirlos a mensajes CAN si esto esnecesario y crear las tramas de transmisin de datos provenientes de la adquisicin de los nodos sensorescomo as tambin de otros datos inherentes al estado general y de configuracin actual de la estacin. Deacuerdo al tipo de conexin existente entre la estacin y el centro este nodo se encargar de tomar las accionespertinentes para asegurar el envo.El nodo ha sido diseado usando el microcontrolador PIC 18F458 de Microchip, [6] y el mdem BIM433 deRadiometrix, [4]. Los circuitos transceptores para la interfaz serial son el MAX232 y el MAX485 de Maxim,[14].

Figura 4 Nodo de Comunicacin -Interfaces RS 232/RS 485 y CAN

Tipo de

mensajeCRC-16Inicio Origen Longitud DATOS

Figura 5 Trama de intercambio


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6.- Nodo de Configuracin y Visualizacin (NCV)

Compuesto de un microcontrolador, una pantalla LCD y un teclado matricial de 4x4, este nodo tiene como

misin principal la configuracin de los dems nodos como tambin la visualizacin de los datos de lasvariables meteorolgica (Figura 6).

Este nodo al igual que el nodo de Almacenamiento y Control tiene la posibilidad de generar mensajes depeticin de adquisicin de datos por parte de los nodos sensores. La diferencia radica que esto lo realiza conidentificadores en el rango de los mensajes de configuracin y mantenimiento.

Tanto la pantalla como el teclado posibilitan el ingreso de comandos y la visualizacin de los resultados alusuario. Opcionalmente este nodo est preparado para realizar toda la operacin de configuracin ymantenimiento mediante una PC a travs de una interfaz RS-232 como tambin la bajada de datos del mdulode almacenamiento.

7.- Nodo de Control y Supervisin de Suministro de Energa (NCSSE)

Este nodo est compuesto de un microcontrolador encargado de la administracin central de todo el mdulo,una batera de plomo con su circuito de carga y la celda solar.Este nodo se encarga entre otras tareas de controlar el nivel de voltaje de la batera adems de la corriente quecircula por toda la estacin. Estos datos son enviados tambin al nodo de almacenamiento para seralmacenados tal cual como sera los datos provenientes de los nodos sensores.Si el nivel de voltaje de la batera llega a bajar por debajo de niveles crticos entonces es generado un mensaje

de alarma y es puesto en el bus para que todos los nodos tomen las medidas del caso. Estos niveles de alarmasvan de moderado, pasando por graves hasta llegar a urgentes, cada uno de ello correspondindole unidentificador de mensaje.

8.- Centro de Coleccin y Procesamiento de Datos (CCPD)

Est formado de una PC con procesador Pentium IV, de Intel con Sistema Operativo Windows, de Microsoften el cual se ejecuta el programa de coleccin y procesamiento de datos. La interfaz con el usuario esamigable debido a que posee un entorno totalmente grfico. (Figura 8)El software fue desarrollado utilizando el LabVIEW, de National Instruments [11], lo que posibilit un fcildesarrollo y manejo del Puerto Serie de la PC.

Figura 6 Nodo de Configuracin y Visualizacin montados


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9. ConclusionesEl sistema diseado cumple con las expectativas presentadas en la seccin 1 del trabajo: que sea un sistema deadquisicin de datos robusto y autnomo, de fcil uso y mantenimiento, escalable a las necesidades, de bajocosto y sin descuidar la precisin en los datos. Esto fue posible gracias a la arquitectura propuesta el cual darobustez y asegura que el sistema pueda ser hecho a la medida de las necesidades. El bajo costo fue factibledebido al hecho de utilizar microcontroladores de 8 bit con controladores del bus CAN incorporadointernamente y al empleo de transductores en vez de sensores totalmente hechos. La presicin no fue afectadadebido a que tanto los transductores como los circuitos de acondicionamiento estaban todos muy cercanosunos del otro y estos a su vez al microcontrolador que se encargaba propiamente de la adquisicin y posteriordigitalizacin. El uso de algoritmos a modo de filtros digitales redund en la reduccin de los mrgenes deerrores en la toma de muestras aisladas.Como trabajos futuros se puede considerar sustituir el banco de memoria basados en EEPROM con memoriasdel tipo SmardCard aumentando notablemente de esa forma la capacidad de almacenamiento y el empleo deun modem GSM/GPRS o incluso mdem satelital.

11. Referencias Bibliogrficas[1] CAN System Engineering : From Theory to Practical Applications by Wolfhard Lawrenz[2] ISO International Standard 7498-1984. Information processing systems.Open Systems Interconnection-

Basic Reference Model[3] Sensor de humedad relativa, SHT72, www.sensirion.com/en/download/humiditysensor/SHT11.htm[4] Manual BiM-433-F, http://www.radiometrix.co.uk[5] CITEC-FIUNA, www.citec.ing.una.py[6] PIC18FXX8 Data Sheet, http://www.microchip.com

Figura 8 Vista del Software de Coleccin y Procesamiento de Datos


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[7] 512K I2C CMOS Serial EEPROM, http://www.microchip.com[8] Especificaciones del protocolo I2C, http://www.semiconductor.philips.com/buses/i2c/index.html[9] DS1307 Data Sheet, Dallas Semiconductor, http://www.maxim-ic.com

[10] CRC Generating and Checking, application data AN730, http://www.microchip.com[11] LabVIEW, National Semiconductors, http://www.ni.com/labview

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