“DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA EMBEBIDO PARA MEDIR PARÁMETROS DE VIENTO UTILIZANDO EL PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN I2C PARA LA ÓPTIMA UBICACIÓN DE GENERADORES EÓLICOS”
AUTORES: Dimel Arturo Contreras Martínez . Ayrton Krickst Nieves Acosta. Andree Franklin Salazar Rojas. ASESOR: Renato Miyagusuku Ríos. UNIVERSIDAD UNIVERSID AD NACIONAL DE INGENIERÍA FACUL ACULTTAD DE INGENI INGENIERÍA ERÍA MECANICA
¿Qué nos nos motivo motivo a desarrollar el pro proyyecto?
¿Por qué escogimos este tema? Una alternativa limpia y libre de la emisión de gases de d e efecto invernadero.
RELACIÓN CON LA ING. MECATRÓNICA •
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Circuitos Electrónicos. Adquisición de datos. Conversión Análoga-Digital. Sistemas Embebidos. Protocolos de Comunicación.
Factores para el desarrollo de la Energía Eólica •
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Es una energía ene rgía renovable. Diversificación Diversifica ción de las energías El agotamiento y la dependencia de los combustibles fósiles. El potencial existente del recurso eólico. La tecnología que contamos para desarrollar aerogeneradores cada día más eficientes.
Finalidad •
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La identificación de zonas potencialmente aptas para el aprovechamiento de la energía eólica. Estudios para determinar la ubicación correcta de generadores eólicos.
¿Qué desarro desarrollamos? llamos? •
Una herramienta herramienta para el aprovechamiento aprovechamiento de la energía eólica, eólica, con la finalidad de mapear zonas potencialmente aptas para generadores eólicos, y además permitirá facilitar la evaluación técnica que se debe realizar en todo estudio de factibilidad.
MAPA EÓLICO MUNDIAL
MAPA EÓLICO PERUANO
80metros
VIENTO Y SU ORIGEN •
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A escala planetaria, tiene su origen en la difer d iferencias encias de presión creadas por la no-homogeneidad del calentamiento por radiación solar. Las fuerzas báricas, el efecto de Coriolis, la fuerza centrífuga y el rozamiento roz amiento de la superficie terrestre distorsionan el movimiento del viento a escala global
INTRUMENTOS DE MEDICIÓN DEL VIENTO
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DIRECCIÓN DEL VIENTO
VELOCIDAD DEL VIENTO
ENERGÍA DEL VIENTO
Flujo a través de un disco
= (∙) = ∙∙() = ∙ ∙ … ……. (1)
= = Á =
ENERGÍA DEL VIENTO ∙∙) 1 ( ( = = = 2 ∙ ∙ ……… … (2) … P = De (1) y (2):
= 12 ∙ ∙ ∙ = 1 ∙ ∙ 2
Variables que debemos medir y obtener Sabemos que la Densidad depende de distintas variables atmosféricas atmosféricas como: Temperatura Presión Humedad Etc. •
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Variables que debemos medir y obtener •
Velocidad del viento.
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Direccion del viento.
ESQUEMA MODULAR
SENSOR DE HUMEDAD Y TEMPERATURA (SHT11)
Figura A1 – Sensor Sensor De Temperatur Temperaturaa y Humedad (sht11) - SENSIRION
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Principales Caract Características: erísticas:
- Circuito integrado integrado de dimensiones 7.5x5x2.5 mm . - Presenta una fácil calibración y elevada precisión . - Proporciona una salida digital ,lo cual hace fácil su procesamiento. - Excelente fiabilidad y estabilidad a largo plazo. - Voltaje de alimentación = 2.4 – 2.4 – 5.5 5.5 VDC. - Rango de temperatur temperaturaa = -40 0C a 1250C . - Reducido consumo de energía(90uW normalmente). - Comunicación serial de 2 líneas ,usando el protocolo I2C.
ESQUEMA DE LA CONEXIÓN DEL SHT11
Figura A2 – Conexión Conexión entre el SHT11 y el PIC - SENSIRION
RELOJ DE TIEMPO REAL RTC (DS1307)
Figura B1 – Reloj Reloj de tiempo real RTC(DS1307) - MAXIM
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Principales Caract Características: erísticas:
- Circuito integrado integrado de 8 – – pines pines DIP. - Cuenta en segundos, Minutos, horas, fecha del mes, mes, día de la semana, y año; Incluido año bisiesto. - Funciona tanto en el formato de 24 horas como el de 12 horas con indicador AM/PM. - Tiene un sistema detector de fallas de alimentación - Presenta una batería de respaldo y consume menos de 500 nA cuando usa esta. - Voltaje de alim. VCC =4.5 - 5.5 VDC y VBAT=3-3.5 V DC. - Rango de Temperatura de operación = -400 C a 85 0C. - Interfaz serial I2C y usa un cristal cristal externo de 32.768kHz.
ESQUEMA DE LA CONEXIÓN DEL DS1307
Figura B2 – Conexión Conexión entre el DS1307 y el PIC - MAXIM
SENSOR DE PRESIÓN Y TEMPERATURA (SCP1000)
Figura C1 – Sensor Sensor De Temperatura Temperatura y Presión (SCP1000) (SCP1000 ) – VTI VTI technologies
Principales Caract Características: erísticas: - La presión que mide es la absoluta. - La calibr calibración ación y compensación se hace internamente, internamente, es decir ,automático. - Presenta alta robustez y estabilidad . - Voltaje de alimentación =2.4 - 3.3 VDC. - Rango de Presión= 30kPa a 120kPa. - Rango de Temperatura= -30 0C a 85 0C . - Comunicación serial de 2 líneas ,usando el protocolo TWI y SPI. (TWI (TWI es muy parecido al bus I2C ). ). - Trabaja en modo bajo consumo, es decir, a 3.3 V.
ESQUEMA DE LA CONEXIÓN DEL SCP1000
Figura C2 – Conexión Conexión entre el SCP1000 y el PIC - TVI
SENSOR DE VELOCIDAD DEL VIENTO ANEMÓMETRO
Figura D – Sensor Sensor de velocidad del viento
Principales Características : - El anemómetro de Cazoletas consiste en 3 Cazoletas montadas simétricamente alrededor de un eje vertical. -La velocidad de Rotación es proporcional a la velocidad del Viento. -Se medirá la velocidad de Rotación contando los pulsos que serán emitidos por una línea acoplada al eje y además considerando los periodos de Rotación.
SENSOR DE LA DIRECCIÓN DE VIENTO - VELETA
Figura E – sensor de la la dirección del viento viento
Principales Características Características : - Su forma convencional consta de una cola ancha que el viento mantiene a sotavento de un eje de rotación vertical un contrapeso que se mantiene a barlovento y que proporciona el equilibrio necesario para que el instrumento gire lo más libremente posible. -En la figura E podemos observar que el contrapeso tiene una forma que nos apunta la dirección de la que viene el flujo. -La señal de la posición se la veleta se obtiene a través de potenciómetros. -Los términos "barlovento" y "sotavento" se refieren a la dirección desde donde sopla el viento. -Se define un barlovento como "Viento fuerte que viene del Este“ Este“..
Dispositivo De Almacenamiento De Datos - EEPROM
Figura F1 – EEP EEPROM ROM ATMLU83 TMLU836 6 - ATMEL
Principales Características Características : -
Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory
- Ca Capa paci cida dad d de de mem memor oria ia de 2G 2GB B. - Co Con nfi figu gurrac ació ión n de de 8 pi pine nes. s. - Vol olta tage ge de al alim imen enta tati tion on== 4.5 4.5 – – 5.5 5.5 V DC. - Comunicac Comunicación ión seria seriall de 2 líneas líneas ,usand ,usando o el pro protoc tocolo olo de comun comunicac icación ión serial I2C. - Pu Puede ede adq adquir uirir ir has hasta ta 8 dir direc eccio cione ness dis distin tinta tas. s.
DISTRIBUCION DE PINES DE LA EEPROM
Figura F2 – F2 – Distribución de pines de la EEPROM
Distribución y Almacenamiento de Datos en la EEPROM EEPROM HUMEDAD TEMPERATURA PRESION TIME/DATE1 VELOCIDAD1 DIRECCION1 VELOCIDAD2 DIRECCION2 TIME/DATE2
Fs2 › Fs1
CALCULO DE LA VELOCIDAD DEL VIENTO
= 12 ( ( ). . 12 30+ . . 12 (60 + ). . 2 ] = 0 12 2 2 + + [ 2 .. 2 ∗ ± 3 2 ∗ = ∗∗ 2 2
Como se puede ver la velocidad del aire es proporcional a la velocidad de rotación del anemómetro (w), entonces lo que necesitamos es medir “w”. El anemómetro posee un acondicionador de señal utilizando un encoder incrementa interno , mediante el cual se envían “n” pulsos eléctricos por cada vuelta que dan las cazoletas.
Calculo de la dirección del viento La veleta usa un potenciómetro en su eje, con lo cual se obtiene un voltaje en la línea eléctrica de salida. Este voltaje esta en función a la posición del eje. Voltajeanalógico = cte.*Resistencia Para poder procesar la información del potenciómetr Para po tenciómetro, o, convertimos la señal de voltaje de analógico a digital. Por ello el voltaje máximo tendrá un valor digital de Vmax=voltaje máximo, la posición(X)=360° respecto al Norte (así será posicionado)
2 1 = 10 1023
Para un voltaje “V, ya digital”, la posición será: será :
∗ =
ANEMOVELETA UTILIZADA
Microcontrolador PIC16F887 Este microcontrolador microcontrolador es fabricado por Microchip familia a la cual se le denomina PIC. El modelo 16F887 posee varias características que hacen a este este microcon microcontrolador trolador un dispositivo muy versátil, versátil, eficiente y practico practico para ser empleado en la aplicación. Características : Memoria Flash: 8Kbytes Memoria SRAM: 368 bytes Memoria EEPROM: 256 bytes Entradas / Salidas: 35 Número de entradas A/D: 14 Número de CCP: CCP: 1 Número de ECCP: 1 Soporta SPP: Si Soporta SPI: Si Soporta master I2C: Si Número de EAUSART: 1 Número de comparadores: 2 Número de temporizadores temporizadores de 8 bits: 2 Número de temporizadores temporizadores de 16 bits: 2 Trabaja en modo de bajo consumo: 2V a 4Mhz , en el trabajo utilizamos señales lógicas CMOS de 3.3V 3.3V..
PERFIL LOGARITMICO DEL VIENTO Para poder obtener la velocidad del viento a diversas alturas en una misma zona medida,
= (/) (/) Según la formula presentada, es necesario disponer de “z 0”.Para calcularlo necesitamos calcular primero “α”, de la siguiente manera: manera :
−( ) = −()
" "
Para calcular el parámetro 0 es necesario disponer de 2 medidas a distintas alturas, lo cual se obtendrá utilizando dos anemómetros para la velocidad del aire. Entonces “z 0” se calcula así:
− = exp( − )
PERFIL LOGARITMICO DEL VIENTO
EL BUS INTER-INTEGRATED CIRCUITS I2C
Para simplificar la interc Para interconexión onexión de dispositivos al microprocesador,, Philips desarrolló un sencillo bus bidireccional microprocesador basado en dos hilos por el que se trasmiten los datos vía serie y lo llamó El Bus I2C. Las líneas SDA SDA (Serial Data) Data) y SCL (Serial Clock) etán etán conectadas a la fuente de alimentación a través través de las resistencias resistencias de pull-up. Cuando el bus está libre, ambas líneas están en nivel alto. Los dispositivo puede ser considerado como Master (Master) o esclavo (Slave). SDA
Maestro
SCL
Esclavo1
Esclavo2
Esclavo3
Formato Forma to del Mensaje •
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Un protocolo orientado a BIT Handshaking Bidireccional
El bus I2C Ejemplo de una configuración del bus I2C usando dos microcontroladores
ESQUEMA DE COMUNICACIÓN DEL MASTER CON 2 SLAVES
ESQUEMA DEL SISTEMA DE MEDICION DE VARIABLES DEL VIENTO
SCP 1000 LECTURA DE TEMPERATURA(14 bits) REGISTRO DE ACCESO : SCP OPERATION , 0x0C LEER EL REGISTRO: SCP_TEMPOUT temp=scp_read16(SCP_TEMPOUT) EL VALOR SE CONVIERTE A REAL temp_float=(float)temp
LECTURA DE PRESION(19 bits) REGISTRO DE ACCESO : SCP OPERATION , 0x0C LEER LOS REGISTROS: SCP_DA SCP_DATTARD8 Y SCP_DATARD16 press_msb = scp_read(SCP_DA scp_read (SCP_DATTARD8) press_lsb = scp_read16(SCP_DA scp_re ad16(SCP_DATTARD16) press = make32(press_msb, make32(press_msb,press_lsb) press_lsb) EL VALOR SE CONVIERTE A REAL press_float = (float)press
El valor que nos otorga se divide entre 20: temperatura(°C)=temp_float/20
El valor que nos otorga se divide entre 4: temperatura(Pa)=press_float/4 temperatura(KPa)=press_float*0.00025
SHT11
RTC DS1307 CONFIGURAR FECHATIEMPO i2c_start(); i2c_write(0xD0); i2c_write(0x00); i2c_write(bin2bcd(sec));
OBTENER FECHA
OBTENER TIEMPO
i2c_start(); i2c_write(0xD0); i2c_write(0x03); i2c_start(); i2c_write(0xD1);
i2c_start(); i2c_write(0xD0); i2c_write(0x00); i2c_start(); i2c_write(0xD1);
i2c_write(bin2bcd(min)); i2c_write(bin2bcd(hr)); i2c_write(bin2bcd(dow)); i2c_write(bin2bcd(day));
dow =bcd2bin(i2c_read() & 0x7f); day = bcd2bin(i2c_read() & 0x3f); mth =bcd2bin(i2c_read() & 0x1f); year=bcd2bin(i2c_read(0));
i2c_write(bin2bcd(mth));
i2c_stop(); i2c_stop();
i2c_write(bin2bcd(year)); i2c_stop();
sec = bcd2bin(i2c_ bcd2bin(i2c_read() read() & 0x7f); min =bcd2bin(i2c_read() & 0x7f); hr = bcd2bin(i2c_ bcd2bin(i2c_read(0) read(0) & 0x3f);
EEPROM ESCRIBIR EEPROM
Address - data i2c_start() i2c_write(0xa2) i2c_write(address>>8) i2c_write(address) i2c_write(data) i2c_stop() i2c_start() status=i2c_write(0xa2) i2c_stop()
LEER EEPROM
Address i2c_start() i2c_write(0xa2) i2c_write(address>>8) i2c_write(address) i2c_start() i2c_write(0xa3) data=i2c_read(0) i2c_stop() return(data)
INTERFAZ EN MA MATLAB TLAB
Circuito Electrónico Circuito Implementado
DATOS DA TOS OBTENIDOS EN UN PERIODO DE 10 MINUTOS para una altura h=30m (msnm) ) a P 100 K ( n o 80 i s e r p
60
0
a v i 100 t a l e r d 80 a d e m 60 u h % 0
) 5 s / m ( d a d i c o l e v 0
) 5 s / m ( d a d i c o l e v 0
1
2
3
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5 tiempo
6
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) 20 C ° ( a r u t a 15 r e p m e 10 t
0
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1
2
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5 6 7 tiempo para una altura h=20m piso
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8
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) 160 N ° ( n 140 o i c 120 c 100 e r i d 80
1
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5 6 7 tiempo para una altura h=5m piso
4
5 6 7 tiempo para una altura hx=100m piso
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) 5 s / m ( d a d i c o l e v 0
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5 tiempo
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7
Los datos obtenidos fueron a las 10am.
MEDICION
SENSOR
uC
Presión
SCP 1000
MASTER
temperatura Humedad relativa Direccion viento
VELETA
MASTER MASTER SLAVE 1
Velocidad viento Velocidad viento
ANEMOMETRO 1 ANEMOMETRO 2
SLAVE 1 SLAVE 2
condición 30 msnm / 5m piso 5m piso 5m piso 5m piso 5m piso 20m piso
Valor promedio 100,1 KPa. 18.2°C 89 % 135° norte N (SO) 1.71 m/s 2.4 m/s
Predicción mediante el Método de Perfil Logarítmico del viento para una altura Hx=150m
De igual manera se puede obtener el comportamiento de la velocidad del viento para otras alturas.
CONCLUSIONES •
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Se demuestra que este protocolo I2C es factible para sistemas con múltiples sensores . Para que la comunicación I2C no se sature es necesario esperar un tiempo prudencial después de transmitir cada dato dato entre el MASTER y distintos dispositivos SLAVES . Los sensores modernos tienen un acondicionamiento de señal , de tal manera que entregan valores digitales de sus medidas mediante diversos protocolos de comunicación tales como SPI ,I2C y otros .De esta manera pueden ser configurados por algún MASTER para que envíen el valor del dato medido de diversos modos como pueden ser : alta resolución , alta velocidad, baja resolución , baja velocidad.
CONCLUSIONES •
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La interfaz hecha en Matlab se pudo comunicar correctamente con el sistema electrónico mediante el protocolo RS-232, de esta manera los datos enviados por el PIC MASTER se almacenaban en vectores vectores los cuales se graficaban en función del tiempo , que también es uno de los datos. Se pueden seleccionar distintos rangos rangos (desde segundos hasta 1h). En la grafica grafica se observa que la velocidad aumenta aumenta con la altura, altura, mientras que las variaciones van disminuyendo por efecto de la menor influencia de la rugosidad. Al diseñar el sistema expuesto se colaboro con la fase de exploración de territorios territori os para la ubicación optima del generador generador..
RECOMENDACIONES •
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Tener en cuenta el tiempo de medición , ya que la memoria tiene Tener capacidad limitada de almacenamiento de datos . Tener cuidado con saturar el bus de comunicación I2C , para ello asignar tiempos entre envío de datos consecutivos por el bus. Colocar inicialmente la veleta en dirección hacia el norte para que así se logre posicionar adecuadamente, ya que se considera la medida en grados sexagesimales sexagesimales respecto al NORTE. El circuito implementado funciono con alimentación de 3.3V para los circuitos integrados integrados , por ello tener cuidado si es que se quiere alimentar con un voltaje mayor ya ya que puede dañar a los sensores que trabajan con 3.3V.
Mejoramiento del Proyecto •
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Recolectar información en una SD. Se puede aplicar aplicar algunas distribuciones estadístic estadísticas. as. Análisis de datos.
APLICACIONES FUTURAS •
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CASAS AUTOSUSTENT AUTOSUSTENTABLES ABLES ESTACIONES METEOROLÓGICAS ESTUDIOS DEL VIENTO AGRICULTURA
