UDI proyecto integrador integrador Electiva Electiva Profesional Profesional 1 / Carlos Rojas Rojas – Emerson Celis Celis
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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UNA ESTACIÓN METEOROLÓGICA CON RASPBERRY PI -#L( /-0'E# #(/- /avier1.23435hotmail.com
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en este proyecto se trata de utilizar el sistema Raspberry Raspberry como una unidad unidad meteoroló meteorológica gica utilizando utilizando para tene tenerr medi medici cion ones es de temp temper erat atur ura, a, hume humeda dad d rela relati tiva va y velocidad velocidad del viento viento o presión presión atmosféri atmosférica; ca; El encargado encargado de alma almace cena narr y posi posibi bili lita tarr real realiz izar ar los los segu seguim imie ient ntos os es la Raspberry Pi 3, un ordenador de pequeas dimensiones el cual cual nos posibi posibilit lita a median mediante te el uso de sus puerto puertos s !P"#, !P"#, interaccionar con las seales acondicionadas procedentes de los diferentes sensores. sensores . Resumen
i. En la #aspberry i se alo)ar! un servidor *eb y una base datos, el servidor *eb se encargara de mostrar todos los datos que que est estén alo) alo)ad ados os en la base base de datos atos,, con con ello ello conseguirem conseguiremos os un interface agradable agradable y el cual nos permitir! conocer y estudiar de manera m!s profunda la meteorología. Los datos que arro)e ser!n llevados a una +ablet o dispositivo donde se vera los datos mas reales que arro)en este proyecto.
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Abstract $his pro%ect is about using the Raspberry system as a
meteorolo meteorological gical unit using to have measurements measurements of temperatu temperature, re, relative humidity and &ind speed or atmospheric pressure; $he store and ma'e it possible to carry out the follo&(up is the Raspberry Pi 3, a small computer &hich allo&s us, through the use of its !P"# ports, to interact &ith the conditioned signals from the different sensors .
Raspberry,, temperatur temperatura, a, humedad, humedad, Pa la la br br as as c la la ve ve s: s: Raspberry presión, sensores, meteorolog)a cone*ión, cone*ión, +rduino, velocidad
1.
INTRODUCCIÓN
La meteorología es la ciencia interdisciplinaria de la física de la atmo atmosf sfer era, a, que que estu estudi dia a el esta estado do del del tiem tiempo po,, el medi medio o atmosf atmosféri érico, co, los fenóme fenómenos nos produc producido idos s y las leyes leyes que lo rigen. En este proyecto se plantea contribuir al estudio de la mete eteorol orolog ogíía con con la cons consttrucc rucció ión n de una una esta estaci ción ón meteorológica, pero a fin de poder tomar medidas y realizar el segu seguim imie ient nto o de las las sigu siguie ient ntes es vari variab able les s atmo atmosf sfér éric icas as:: temperatura, humedad relativa velocidad del viento. ara ara la real realiz izac ació ión n del del segu seguim imie ient nto o de las las vari variab able les s atmosf atmosféri éricas cas se deber! deber!n n utiliz utilizar ar transd transduct uctore ores s los cuales cuales transformaran la magnitud física en una se"al eléctrica, por lo que una parte importante de este proyecto ser! el de escoger apropiadame apropiadamente nte estos transductor transductores es así como acondiciona acondicionar r las se"ales para poder interpretarlas y poder hacer un correcto seguimiento. El encargado de almacenar y posibilitar realizar los seguim seguimien ientos tos,, ser! ser! un sistem sistema a embedd embedded ed con sistem sistema a operativo #aspbian, concretamente la #aspberry i $, la cual ha aparecido recientemente. %ediante el puerto &'( de la #aspberry #aspberry i, interaccio interaccionaran naran las se"ales se"ales acondiciona acondicionadas das procedentes de los diferentes transductores con la #aspberry
'ng. Electrónica dise"o e implementación de una estación estación meteorológica con raspberry raspberry pi
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2.
DEFINICION
Este proyecto es dise"ar y construir una estación meteorológica remota y modular. er! un dise"o sostenible, por tanto, se tendr! mucho cuidado en minimizar los consumos de corrientes tanto como sea posible, a fin de intentar siempre y dependiendo del tiempo disponible en el proyecto conseguir que sea autónoma energéticamente. 6o nos podemos olvidar que el dise"o de la estación meteorológica ser! de ba)o coste, aunque siempre con un ob)etivo marcado de obtener fiabilidad para el estudio de la meteorología. or tanto esto incluir! dentro del ob)etivo la b7squeda y la adquisición de los sensores y de los componentes que se crean m!s adecuados para la medida de los par!metros físicos: temperatura, humedad relativa velocidad de viento abe recordar que en este proyecto se va a traba)ar con una #aspberry i, por lo que siendo un sistema embedded deberemos tener en cuenta que se programa sobre sistema operativo con todo lo que eso conlleva. or lo que no hay que hacer tareas bloqueantes y hacer uso de threads, etc8 - fin de mostrar los datos se realizar! y se utilizar! una tablet, el cual se debe fi)ar como ob)etivo el conseguir que tenga las muestras suficientes como para que nos pueda proporcionar información lo suficientemente v!lida, para el estudio de los diferentes fenómenos meteorológicos. Es por ello que en todo momento se deber! estudiar y plantear el n7mero de tablas necesarias para un correcto funcionamiento. En lo que se refiere a estructura del sistema, se debe construir el sistema completo que sea capaz de aguantar cualquier inclemencia meteorológica, ya que tendr! que estar e9puesta a altas temperaturas, así como ba)as temperaturas, lluvia y viento. or lo que se intentara proporcionar una cierta estanqueidad a los circuitos electrónicos. inalmente, se introduce como ob)etivo el estudio de conceptos meteorológicos a fin de poder hablar con una cierta propiedad durante todo el proyecto, así como poder mostrar datos calculados con las diferentes adquisiciones de datos realizadas.
2.1 CARACTERISTICAS RASPBERRY El Raspberry P es un micro ordenador o una placa de computadora ; de ba)o costo desarrollada en el #eino cuando los ni"os creaban programas y )uegos en sus computadoras personales. En esencia, el #aspberry i es una placa de un tama"o min7sculo ?cercano al de una tar)eta de crédito@. ero que su
diminuto tama"o no te enga"e, ya que posee un micro procesador -#% con potencia de hasta 2&Az, integrado en un chip ;roadcom ;%B=$C. -dem!s cuenta con C2B %; de #-%, un &< 0ideocore '0, todo lo necesario para poder e)ecutar programas b!sicos, navegar por internet y por supuesto programar.
P se requiere ara traba)ar con un Raspberry almacenamiento que en este caso específico debe ser una tar)eta de memoria D o micro D. -l contar con todos estos elementos, sólo debe conectarse a la corriente eléctrica. Las placas m!s modernas cuentan con hasta puertos <; para conectar teclado y mouse, un conector AD%' con capacidad de reproducir vídeo en 2>=>p y hasta una cone9ión Ethernet para poder tener internet vía cable. Entre los sistemas operativos disponibles para #aspberry i se encuentran: #aspbian, -rch Linu9, #asp;%, idora u (penELE e incluso, se dispone de Findo*s 2> seg7n la p!gina *eb de %icrosoft.
RASPBERRY !S ARDUINO -rduino y #aspberry i, pueden lucir muy parecidas, incluso es posible que hayamos asumido que este par de plataformas de hard*are compiten para resolver problemas similares. En realidad son muy diferentes. ara empezar, #aspberry i es una computadora completamente funcional" mientras que -rduino es un micro controlador " el cual es sólo un componente de una computadora. -unque el -rduino puede ser programado con peque"as aplicaciones como , este no puede e)ecutar todo un sistema operativo y ciertamente no podr! ser el sustituto de tu computadora en un tiempo cercano. -quí est! una guía para diferenciar entre -rduino y #aspberry i, y para determinar cu!l de los dos dispositivos de hacGeo D'H se adapta me)or a tus necesidades como hacedor. +anto #aspberry i como -rduino fueron dise"adas originalmente para ser herramientas de ense"anza, es por ello que se han vuelto tan populares I ambos dispositivos son muy f!ciles de aprender a usar. #aspberry i proviene del #eino >4, la primera serie de is estuvo disponible hasta abril de B>2B. -rduino, por su parte, nació en 'talia. Debe su nombre al bar donde originalmente el inventor %assimo ;anzi y sus cofundadores for)aron la idea. ;anzi, un profesor en el 'nteraction Design 'nstitute 'vrea, quería una herramienta
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sencilla de prototipado de hard*are para sus estudiantes de dise"o. omo herramientas de ense"anza, -rduino y #aspberry i son adecuadas para principiantes. Aasta que se e9amina su hard*are y soft*are es cuando se hace evidente que est!n orientadas a diferentes tipos de proyectos.
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En este apartado se pretende describir la b7squeda bibliogr!fica que se ha realizado, concretamente la cone9ión de los diferentes sensores con los sistemas embebidos, lo que nos permitir! seleccionar sensores en base a la e9periencia de otros autores, así como poder tomar decisiones de manera correcta. ensores de temperatura #ealizando un poco de b7squeda bibliogr!fica encontramos multitud de sensores de temperatura que se utilizan con sistemas embebidos, concretamente quiz!s sea de lo que m!s e)emplos se encuentran y mayor documentación haya sobre el tema
SENSOR DIGITAL DS1/B20 CONECTADO A UNA RASPBERRY PI
F#$ra 1%&'para()& e*(re Ar+$*& )s Raspberry
,. FUNCIONAMIENTO
Encontramos la descripción de cone9ión entre el sensor digital de temperatura D2=B> Dallas y una #aspberry i B, mediante la utilización de los puertos &'(. El sensor de temperatura D2=B> Dallas, es un sensor de peque"as dimensiones y el cual incluye un un sencillo microprocesador para la realización de las tareas de comunicación ya que la comunicación con el sensor es mediante el bus 2J*ire. La principal venta)a que tienen los sensores que incorporan el bus 2J*ire es la posibilidad de poder conectarlos en paralelo en el caso que requiramos m!s de un sensor. ara la cone9ión en paralelo todos los sensores deben compartir los mismos pines, pero solo se requiere de una resistencia de ,K M para cada uno de los sensores. La resistencia se utiliza como pullJup para la línea de datos y es necesaria para mantener una transferencia de datos estable. La patilla DN ser! la que ira conectada al puerto &'( de la #aspberry B. el fabricante dispone de toda la serie D2=;BOO la cual tiene integrada el bus 2J*ire y dependiendo que sensor esco)amos ganaremos en una mayor o menor precisión a costa del precio del sensor.
ara este proyecto se van a utilizar los siguientes unidades de entrada ?sensores@ con su particularidad e características, inicialmente se representaran con un diagrama de función
F#$ra , se*s&r +e (e'pera($ra
SENSOR DT11 Y DT22 CONECTADO A UNA RASPBERRY PI 2
F#$ra 2 %&*e-&*es para e pr&ye%(& .
(tros de los sensores que también son muy utilizados con la #aspberry i es la serie DA+, concretamente se trata de sensores digitales de temperatura y humedad con buenas prestaciones y con un precio bastante asequible, la cone9ión del DA+22 es directa y solo tenemos que tener en cuenta en conectar cada uno de los pines del sensor correctamente a alimentación, tierra y la salida de datos conectada a un puerto de la #aspberry i. El resultado final de la cone9ión de los dos sensores a la #aspberry i es el siguiente.
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"
F#$ra 5 se*s&r +e pres6* a('&s7er%a
F#$ra se*s&r +e 3$'e+a+ rea()a
La lectura de los sensores por parte de la #aspberry i se realiza mediante la utilización de la librería -dafruit, la cual facilita enormemente la lectura de datos de los sensores.
SENSOR DE PRESIÓN ATMOSF4RICA BMP1/0 ara la medición de la presión atmosférica se va utilizar en sensor ;%2=>, el cual es un sensor digital capaz de proporcionarnos la presión atmosférica y la temperatura. Este sensor destaca por la utilización del bus de comunicaciones 'B, por lo que como la #aspberry i disponer de también de puertos dedicados para el bus 'B nos ser! muy f!cil la cone9ión con el mismo. El ;%2=> ofrece un rango de medición de $>> a 22>> hs, con una precisión absoluta de hasta >,>B ha en el modo de resolución avanzada. El sensor se basa en la tecnología piezoJresistiva provocando que nos proporcione una alta precisión con una buena robustez y estabilidad a largo plazo. La alimentación de este sensor puede ser de entre 2,= a $,4 0 en corriente continua y un consumo de >,>$ m- en toma de datos, por lo que es destacable de este sensor su ultra ba)o consumo de energía. (tras características a tener en cuenta son ba)o ruido y que viene completamente calibrado de f!brica. El sensor consta de terminales 0in, &6D, L y D-. El terminal 0in es por donde conectaremos la alimentación del sensor, el terminal &6D ser! donde conectemos la tierra, por 7ltimo, los terminales L y D- son los terminales que se utilizan para la comunicación con el protocolo 'B.
ESTACIÓN METEOROLÓGICA 189IRE CON RASPBERRY PI La estación meteorológica que encontramos una estación meteorológica la cual todos los sensores se comunican mediante el bus de comunicaciones 2J*ire, lo cual cosa provoca que todos los sensores se encuentren conectados en paralelo simplificando mucho la estación meteorológica y haciendo que sea completamente modular, ya que la estación est! formada por módulos, cada módulo incorpora un s ensor.
(tro aspecto importante es que la comunicación entre los módulos y la #aspberry i se realiza mediante el puerto <;, por lo que los puertos &'( no se utilizan. ara la comunicación del puerto <; de la #aspberry i y los diferentes módulos 2JFire se utiliza un adaptador, el cual realiza la conversión necesaria. ada uno de los módulos que incorpora la estación meteorológica se ha comprado directamente, por lo que no se ha dise"ado circuitería y lo 7nico que se ha traba)ado es a nivel de soft*are en la #aspberry i.
. PROGRAMACION ara esta ocasión se va mane)ar diagrama de funciones de cómo se va a traba)ar en programación, con ayuda de AH+(6 se trata las funciones y la programación en general, se esta traba)ando en la me)ora ya que lo que se mostrara es el C>P del programado.
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F#$ra : +a#ra'a +e b&;$es se*s&r +e (e'pera($ra y 3$'e+a+ F#$ra = prra'a%6* e* PYTON +e se*s&r bar&'>(r%a
F#$ra < prra'a%6* e* PYTON +e se*s&r (e'pera($ra
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F#$ra / +a#ra'a +e b&;$es se*s&r pres6* bar&'e(r%a
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F#$ra 11 prra'a%6* a*e'6'e(r& F#$ra 1, prra'a%6* #e*era
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CONCLUSIONES
En este proyecto podemos concluir sobre la importancia de traba)ar con sistemas alternos y económicos como lo es el #aspberry, resaltando su importancia y ba)o coste en el mercado de la tecnología electrónicaQ sin desmeritar otros sistemas como los es el -rduino y el micro chip. +ambién cabe detallar que este sistema es muy completo para realizar otros proyectos a futuros para aplicar en la domótica o control de procesos f!ciles y de término medios de e9igencia.
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F#$ra 12 prra'a%6* prra'a #e*era
REFERENCIAS
https:RRgithub.comRGmGingsburyRraspberrypiJ*eatherJstation https:RR***.instructables.comRidRompleteJD'HJ#aspberryJiJ FeatherJtationJ*ithJofR https:RR***.raspberrypi.orgRforumsRvie*topic.phpS fTK4UtT3=C=2 http:RRpro)ectlog.ferranfabregas.infoR*eatherJstationJbuildingJ cartonboardJprototypeJiiJcomponentsR http:RRopenaccess.uoc.eduR*ebappsRoBRbitstreamR2>4>3RCBK42 R3R
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