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Estación meteorológica en el IES
Chinarro Llansola, Iván; Sales Roger, Daniel; Zarut Pérez, Alejandro IES Penyagolosa. Castellón de la Plana
Fecha de redacción 22 de mayo de 2015
RESUMEN El proyecto en el que hemos trabajado ha consistido en construir una estación meteorológica utilizando tecnologías de bajo coste para sustituir la vieja estación que teníamos en la azotea del instituto. Además el proyecto lo hemos realizado de manera que los datos de los distintos sensores son enviados a Internet y publicados en distintas página web de meteorología de ámbito mundial y de recogida de datos. Esto posibilita que podamos visualizar la información meteorológica desde una página web, consultar la evolución mediante el histórico de datos enviados y descargar los datos para realizar estudios estadísticos desde software especializado.
Palabras clave Estación meteorológica, Arduino, Ethernet, Datos, Publicar
ABSTRACT The project we have worked has been to build a weather station using low-cost technologies to replace the old station that we had on the roof of the school. In addition we have made the project so that the data from the various sensors is sent to the Internet and published in various meteorological website worldwide and data collection. This enables us to display the weather information from a web page consulted by the historical evolution of data sent and download the data for statistical surveys from specialized software.
Key words Weather Station, Arduino, Ethernet, Data, Publish
Índice de contenido 1. INTRODUCCIÓN...............................................................................................................1 2. ANTECEDENTES..............................................................................................................2 3. MATERIALES Y MÉTODOS.............................................................................................3 3.1. Kit Estación Meteorológica..........................................................................................3 3.2. Arduino UNO..................................................................................................................3 3.3. Weather Shield..............................................................................................................4 3.4. Montaje de la estación meteorológica........................................................................6 3.5. Alimentación de las placas de circuito electrónico..................................................6 3.6. Protección de las placas de circuitería......................................................................8 3.7. Sensores........................................................................................................................8 3.8. Envío de datos a la web............................................................................................13 4. PROGRAMACIÓN...........................................................................................................20 5. CONCLUSIONES............................................................................................................21 6. REFERENCIAS...............................................................................................................22 WEBGRAFÍA.......................................................................................................................22
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1. INTRODUCCIÓN El instituto contaba con una vieja estación en la azotea del edificio que estaba en desuso y anticuada. Cuando decidimos presentarnos al concurso nos surgió la idea de reemplazar la vieja y sustituirla por otra de bajo coste y con la que pudiéramos visualizar los datos en la web. Como llevábamos todo un trimestre trabajando con arduino se nos ocurrió utilizar este aparato electrónico como medio para recopilar y transferir los datos de la estación a la red. Así que compramos el kit de una estación que funcionara con arduino y el weather shield, un escudo para arduino con dos entradas de cables RJ-11 para los sensores de lluvia y viento y además otros sensores que están integrados en la placa como el de humedad o el de presión.
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2. ANTECEDENTES La estación vieja que estaba en la azotea tenía una veleta y un anemómetro que se ven en la parte superior de la imagen. A la izquierda de la caja estaba el pluviómetro que era como dos cubos uno encima de otro. Dentro de la caja de madera había un medidor de temperatura y un barómetro
Fotografía de la antígua estación meteorológica
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3. MATERIALES Y MÉTODOS 3.1. Kit Estación Meteorológica El kit incluye: • Medidor de velocidad del viento • Anemómetro • Colector de lluvia • Mástil de sujeción • Soporte para colector de lluvia • Soporte para veleta Kit adquirido en Sparkfun
• Anillas de sujeción x2 • Bridas x4
3.2. Arduino UNO Microcontrolador
ATmega328
Tensión de funcionamiento
5V
Voltaje de (recomendado)
entrada
7-12V
Voltaje de entrada (límites)
6-20V
Digital pines I / O
14 (de las cuales 6 proporcionan salida PWM)
Pines de entrada analógica
6
Corriente DC por Pin I / O
40 mA
Corriente DC de 3.3V Pin
50 mA
Memoria Flash SRAM
32 KB (ATmega328) de los cuales 0,5 KB utilizado por el gestor de arranque 2 KB (ATmega328)
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EEPROM
1 KB (ATmega328)
Velocidad del reloj
16 MHz
Longitud
68,6 mm
Ancho
53,4 mm
Imagen de la placa Arduino UNO
3.3. Weather Shield Este escudo es muy sencillo de hacer funcionar con Arduino utilizando las librerías proporcionadas por el fabricante (se pueden obtener desde ) y ofrece de por sí la presión barométrica, humedad relativa, luminosidad y temperatura. También hay conexiones para sensores opcionales tales como la velocidad del viento, dirección, pluviómetro y GPS para la ubicación. Utiliza el sensor de humedad HTU21D, de presión barométrica MPL3115A2, un sensor de luz ALS-PT19 y se basa en la librería HTU21D y MPL3115A2 para Arduino. Dispone de dos posiciones para soldar conectores RJ11 (para sensores opcionales de lluvia y viento) y un conector GPS de 6 pines (para conectar un GPS opcional). Puede funcionar desde 3.3V hasta 16V y tiene un regulador de voltaje integrado.
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Imagen del escudo del clima adquirido en Sparkfun y acoplado a Arduino UNO
Esquema interno del escudo del clima (cortesía de Sparkfun)
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3.4. Montaje de la estación meteorológica La estación meteorológica está compuesta por una barra de metal principal, a la que se añade un soporte de plástico en el extremo para albergar los medidores de la velocidad del viento y de la dirección del mismo. En el centro de la barra se encuentra situado el medidor de precipitación. Los sensores transmiten la información a la placa de Arduino a través de unos cables RJ-11 sujetos a la estructura principal de la estación. Para asentar definitivamente la estación en el tejado del instituto hemos acoplado unos pesos unidos a su estructura, logrando así que se mantenga fija al suelo.
Fotografía del montaje de la estación meteorológica nueva
3.5. Alimentación de las placas de circuito electrónico En nuestro caso la forma más sencilla de alimentar la placa arduino es mediante la técnica PoE. La alimentación a través de Ethernet (Power over Ethernet, PoE) es una tecnología que incorpora alimentación eléctrica. Permite que la alimentación eléctrica se suministre a un dispositivo de red usando el mismo cable que se utiliza para la conexión de red.
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Alimentación por PoE
Nosotros hemos construido el cable a partir de un cargador de 7.5V y un cable Ethernet. Primero hemos cortado el cable del cargador y hemos pelado el cable Ethernet separando sus cables marrones y azules en los dos extremos. Después hemos unido los cables de un extremo del Ethernet con los del cargador y los cables del otro extremo con los del conector a la placa arduino. Finalmente hemos cubierto de cinta aislante las uniones de los cables.
Fotografía del inyector PoE artesanal
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3.6. Protección de las placas de circuitería En este caso hemos construido nuestro propio soporte para arduino a partir de cuatro tupperwares. Primero hemos recortado la base de los tres tuppers inferiores. Después con una broca hemos hecho dos agujeros en todos los tuppers para pasar la varilla roscada. Hemos pasado las dos varillas y hemos puesto los tupper uno sobre otro de manera que el superior sea el que está sin recortar y los hemos ajustado mediante tuercas. Debajo del último tupper hemos puesto la tapa. A continuación para fijar el soporte a la estación hemos cogido una lámina de aluminio, la hemos recortado, agujereado y doblado de manera que enganche las varillas con el tubo que mantiene la estación.
Protección de la circuitería
3.7. Sensores El pluviómetro está compuesto por un balancín que lleva las gotas a los pequeños depósitos que van a ambos lados. Cada 0,2794 mm de lluvia provoca un cierre momentáneo de contacto que puede ser capturado con un contador digital o microcontrolador interrupción de entrada. El interruptor de la galga está conectado a los dos conductores centrales del cable RJ11.
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Esquema interno del pluviómetro
Anemómetro Mide la velocidad del viento mediante el cierre de un contacto con un imán que toca un interruptor. Para una velocidad de viento de 1.492 MPH (2,4km / h) hace que el interruptor se cierre una vez por segundo. El interruptor anemómetro está conectado a los dos conductores internos de el cable RJ11 compartida por el anemómetro y veleta (pines 2 y 3).
Funcionamiento del anemómetro
La veleta es el más complicado de los tres sensores. Tiene ocho interruptores, cada uno conectado a una resistencia diferente. El imán que contiene puede cerrar dos interruptores a la vez, permitiendo hasta 16 diferentes posiciones que deben indicarse. Una resistencia externa se puede utilizar para formar un divisor de voltaje, produciendo una salida de tensión que se puede medir con un convertidor
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analógico a digital. La disposición de conmutación y la resistencia se muestran en el diagrama.
Esquema interno de la veleta
Los valores de resistencia de las 16 posibles posiciones se dan en la tabla. Los valores de resistencia para las posiciones entre los que se muestran en el diagrama son el resultado de dos adyacentes resistencias conectadas en paralelo cuando imán de la paleta activa dos interruptores simultáneamente. Ejemplo interfaz veleta circuito. Lecturas de voltaje para una Voltios de alimentación 5 y un resistor valor de 10k ohmios se dan en la mesa. dirección (Grados) resistencia.
Valores de las resistencias de la veleta
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ALS-PT19-315C / L177 / TR8 Descripción: Es un sensor de luz de bajo coste ambiental, que consiste en un fototransistor en SMD en miniatura. Características: -Cerrado en respuesta al espectro ojo humano -Luz a la corriente, analógica -Buena linealidad de salida en todo el rango de iluminación amplia -Pequeña variación de sensibilidad a través de varias fuentes de luz -Rendimiento temperatura garantizado de -40ºC a 85ºC -Amplio rango de tensión de alimentación, 2.5V a 5.5V ‧Tallas: 1,7 mm (L) * 0,8 mm (W) * 0.6mm (H) ‧RoHS conformado y Pb paquete gratuito
l Imagen del sensor de luz del escudo del clima
El altímetro de precisión 12C MPL3115A2 Este emplea un sensor de presión MEMS con una interfaz I2C al proporcionar datos de presión / altitud y la temperatura exacta. Las salidas de los sensores son digitalizadas por un alta resolución de 24 bits ADC. Es programable por el usuario y ahorra energía. La corriente de alimentación activa es de 40 (nano). A por medidasegundo durante 30 cm de resolución de salida. La precisión de las salidas de presión se pueden resolver en fracciones de Pascal, y la altitud, en fracciones de metro. El paquete se monta en una superficie con una tapa de acero inoxidable y es compatible con RoHS. Características:
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Dimensiones de 5 mm por 3 mm por 1,1 mm De 1.95V a 3.6V de tensión de alimentación, regulado internamente por LDO Tensión de alimentación de la interfaz digital de 1.6V a 3.6V Totalmente compensada internamente Lectura directa, compensada: - Presión: medición de 20 bits (pascales) - Altitud: la medición de 20 bits (metros) - Temperatura: la medición de 12 bits (grados Celsius) Eventos programables Autónomo de Adquisición de Datos Resolución hasta 1 ft. / 30 cm Muestra FIFO 32 Capacidad de registro de datos de hasta 12 días mediante el FIFO Tasa de adquisición de datos de 1 segundo a 9 horas Interfaz de salida digital I2C (opera hasta 400 kHz)
Sensor de presión atmosférica
Sensor HTU21D(F) Sensor de Humedad relativa digital con salida de temperatura. Descripción HTU21D (F), es el nuevo sensor de humedad digital con salida de temperatura del MED. Proporciona calibrados, señales linealizadas en formato I²C digital. Presentan una interfaz directa con un microcontrolador que hace posible incluir en un módulo la humedad y salidas digitales de temperatura.
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Imagen del sensor de humedad y temperatura integrdo en el escudo
3.8. Envío de datos a la web Hemos investigado las diferentes formas de almacenar los datos en la web para poder sacar el máximo partido de los datos generados por la estación una vez los tenemos publicados. En ese sentido hemos decidido trabajar con tres plataformas que nos van a permitir trabajar con los datos tanto a efectos visuales, para consultar de forma rápida el estado actual del clima en la ubicación de la estación meteorológica, a efectos de historial, para poder consultar gráficamente la evolución de los datos meteorológicos y finalmente tener los datos para poder descargarlos y poder realizar cualquier tipo de análisis estadístico con ellos. Una vez ya montada la estación al completo la ponemos en funcionamiento. Los datos generados por la estación se envían a tres plataformas independientes y a través de las respectivas páginas web, podemos realizar las consultas que estimemos oportunas. Hemos decidido programar la frecuencia de envío de información a cada una de las plataformas web cada 60 segundos. Sparkfun (data.sparkfun.com) Es la web del fabricante de la estación meteorológica y del escudo de arduino para poder recoger los datos de los distintos sensores de la estación. La utilidad de esta plataforma es que podemos descargar los datos para trabajarlos localmente con cualquiera de estas tecnologías: JSON, CSV, MySQL, PostgreSQL, Atom
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Consulta y descarga de datos para tratamiento con software especializado
DeviceHUB (devicehub.net) Devicehub.net es un servicio que nos ayuda a interconectar el mundo real con Internet. Las principales características proporcionadas por esta plataforma consisten en un servicio de almacenamiento de datos en línea y la posibilidad de controlar la electrónica de cualquier tipo que se puede conectar a Internet. El principio que rige el funcionamiento de la plataforma se basa en la relación entre los sensores (entidades que recogen datos de mundo real) y los actuadores (componentes electrónicos que realizan acciones en el mundo real y pueden ser también controlados plataforma en línea). Devicehub.net proporciona un fácil de usar, escalable, Internet de las cosas (o M2M máquina a máquina) backbone para la Web 3.0 basado en estándares abiertos. Para poder enviar los datos de nuestra estación, hemos tenido que darnos de alta y seguir las normas o protocolo para el envío de la información. La plataforma proporciona un ID de proyecto y la posibilidad de definir diferentes recolectores de información de los sensores de la estación meteorológica. Nosotros hemos definido los siguientes: •
Direccion_Viento
•
Velocidad_Viento
•
Humedad
•
Temperatura
•
Lluvia
•
Presion_Atmosferica
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Información consultada desde la plataforma devicehub.net
Wunderground (wunderground.com) Este sitio web registra datos de estaciones meteorológicas personales de todo el mundo. En la siguiente imagen se puede apreciar las estaciones meteorológicas que están reportando datos en España. El protocolo de envío de datos a Weather Underground es el siguiente: •
URL
Esta es la URL que se utiliza para la subida:
http://weatherstation.wunderground.com/weatherstation/updateweatherstation.php
• Parámetros GET: Los campos obligatorios son:
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action [action=updateraw] -- always supply this parameter to indicate you are making a weather observation upload ID [ID as registered by wunderground.com] PASSWORD [PASSWORD registered with this ID, case sensative] dateutc - [YYYY-MM-DD HH:MM:SS (mysql format)] In Universal Coordinated Time (UTC) Not local time
Campos para indicar las condiciones meteorológicas: winddir - [0-360 instantaneous wind direction] windspeedmph - [mph instantaneous wind speed] windgustmph - [mph current wind gust, using software specific time period] windgustdir - [0-360 using software specific time period] windspdmph_avg2m - [mph 2 minute average wind speed mph] winddir_avg2m - [0-360 2 minute average wind direction] windgustmph_10m - [mph past 10 minutes wind gust mph ] windgustdir_10m - [0-360 past 10 minutes wind gust direction] humidity - [% outdoor humidity 0-100%] dewptf- [F outdoor dewpoint F] tempf - [F outdoor temperature] * for extra outdoor sensors use temp2f, temp3f, and so on rainin - [rain inches over the past hour)] -- the accumulated rainfall in the past 60 min dailyrainin - [rain inches so far today in local time] baromin - [barometric pressure inches] weather - [text] -- metar style (+RA) clouds - [text] -- SKC, FEW, SCT, BKN, OVC URL de ejemplo: http://weatherstation.wunderground.com/weatherstation/updateweatherstation.php? ID=KCASANFR5&PASSWORD=XXXXXX&dateutc=2000-0101+10%3A32%3A35&winddir=230&windspeedmph=12&windgustmph=12&tempf=70&r ainin=0&baromin=29.1&dewptf=68.2&humidity=90&weather=&clouds=& Texto de respuesta: La respuesta de una petición HTTP GET contiene algunos datos para poder realizar una depuración y tratar de resolver problemas con la subida de información.
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Respuestas y significados: response "success" ●
the observation was ingested successfully
response "INVALIDPASSWORDID|Password and/or id are incorrect" ● invalid user data entered in the ID and PASSWORD GET parameters response RapidFire Server
usage
●
the minimum GET parameters ID, PASSWORD, action, and dateutc were not set
Las siguientes imágenes muestran algunos ejemplos de la información mostrada por dicha web:
Consulta en tiempo real de los datos meteorológicos
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Histórico de los datos meteorológicos(I)
Histórico de los datos meteorológicos(II)
También hay apps disponibles para Ipad y Android que permiten consultar desde estos dispositivos la misma información.
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Aplicación Weather Underground para Android
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4. PROGRAMACIÓN Durante parte de la segunda evaluación, en el temario del curso estuvimos aprendiendo a programar y también el lenguaje de programación que utiliza Arduino. Con el fin de poder programar Arduino, tuvimos que descargar el IDE desde la página oficial del proyecto y las librerías y un programa que mostraba el uso del Weather Shield de Sparkfun. A partir de entonces hemos acoplado el Ethernet Shield, y hemos introducido el código necesario para configurar la red por DHCP y volcar los datos a cada una de las tres webs comentadas en un apartado anterior según el protocolo que indicaba cada una de ellas.
Fotografía donde se ve el sistema conectado y en funcionamiento
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5. CONCLUSIONES Ahora en el instituto disponemos de una estación nueva en la azotea construida a bajo coste y acorde con las nuevas tecnologías. Al ser hardware libre, cualquier persona puede estudiar como está construido y realizar modicficaciones en el diseño o en el programa. Por otra parte, todo el proyecto se ha realizado con hardware de bajo coste, unos 150€ en total. La placa está alimentada por el cable que PoE que hemos construido a mano mediante el cable de red, vuelca los datos de los diferenetes sensores que tiene la estación a Internet permitiendo consultar los datos meteorológicos de la estación desde la web. Con el histórico de los datos volcados a Internet, cualquier docente o estudiante interesado puede realizar estudios estadísticos sobre el clima local. Por otra parte, en la web del IES se creará un enlace directo a la web de wunderground para que cualquier pesona tenga un acceso sencillo a los datos de la estación meteorológica.
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6. REFERENCIAS WEBGRAFÍA
•
Weather Underground. (2015). Protocolo de envío de datos a Weather underground. Recuperado 20 de abril de 2015, desde http://wiki.wunderground.com/index.php/PWS_-_Upload_Protocol
•
Sparkfun. (2015). Escudo del clima de Sparkfun. Recuperado 20 de abril de 2015, desde https://www.sparkfun.com/products/12081
•
Sparkfun. (2015). Estación meteorológica Sparkfun. Recuperado 20 de abril de 2015, desde https://www.sparkfun.com/products/8942
•
SparkFun Electronics (2015). Un lugar para volcar los datos meteorológicos. Recuperado 20 de abril de 2015, desde https://data.sparkfun.com/
•
IoT Solutions Sp. (2015). Página oficial de deviceHUB . Recuperado 20 de abril de 2015, desde http://devicehub.net/
•
Arduino. (2015). Página oficial de ARDUINO. Recuperado 20 de abril de 2015, desde http://www.arduino.cc/
•
Mecatrónica (2013). Tutorial de Arduino. Recuperado 1 de abril de 2015, desde http://www.tdrobotica.co/tutoriales/81-arduino-2/345-guia-arduino
•
Adafruit. (2015). Página oficial de Adafruit. Recuperado 23 de abril de 2015, desde http://www.adafruit.com/
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