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UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE CIENCIAS MATEMATICAS Y FISICAS
CARRERA DE INGENIERÍA EN NETWORKING Y
TELECOMUNICACIONES
IMPLEMENTACIÓN DE UNA ESTACIÓN METEOROLÓGICA
PARA LA FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES DE LA
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL UTILIZANDO
HERRAMIENTAS OPEN SOURCE
PROYECTO DE TITULACIÓN
Previa a la obtención del Título de:
INGENIERO EN NETWORKING Y
TELECOMUNICACIONES
AUTOR (ES):
ANASTACIO BURGOS LUCY VIVIANA
BARZOLA ROMERO MARLON RAMÓN
TUTOR:
ING. JUAN CARLOS YTURRALDE VILLAGÓMEZ, M.Sc.
GUAYAQUIL – ECUADOR
2019
II
REPOSITORIO NACIONAL EN CIENCIAS Y TECNOLOGÍA
FICHA DE REGISTRO DE TESIS
TÍTULO: IMPLEMENTACIÓN DE UNA ESTACIÓN METEOROLÓGICA PARA LA FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES DE LA UNIVERSIDAD DE
GUAYAQUIL UTILIZANDO HERRAMIENTAS OPEN SOURCE
REVISORES:
INSTITUCIÓN: Universidad de Guayaquil
FACULTAD: Ciencias Matemáticas y Físicas
CARRERA: Ingeniería en Networking y Telecomunicaciones
FECHA DE PUBLICACIÓN:
N° DE PÁGS: 134
ÁREA TEMÁTICA: Tecnologías de la Información
PALABRAS CLAVES: Meteorología, Estación meteorológica, Software Libre, Microcontroladores, GPRS
RESUMEN: El presente trabajo de titulación tiene como objetivo desarrollar una estación meteorológica utilizando herramientas Open Source, que medirá las variables de temperatura, humedad relativa y precipitación para la Facultad de Ciencias Naturales de la Universidad de Guayaquil empleando la metodología de investigación PPDIOO. La información que recolecte este sistema será enviada a un servidor Raspberry Pi Zero mediante comunicación GPRS y para visualizar los datos se desarrollará una aplicación web que permitirá realizar consultas por fecha. De esta manera se promoverá el desarrollo académico y profesional de los estudiantes ya que tendrán acceso instantáneo a estas variables. N° DE REGISTRO: N° DE CLASIFICACIÓN:
DIRECCIÓN URL (TESIS EN LA WEB):
ADJUNTO PDF
SI
NO
CONTACTO CON AUTORES: Anastacio Burgos Lucy Viviana Barzola Romero Marlon Ramón
TELÉFONO: 0982808872 0967342702
E-MAIL: [email protected] [email protected]
CONTACTO DE LA INSTITUCIÓN:
NOMBRE: Ab. Juan Chávez Atocha.
TELÉFONO: 042307729
E-mail: [email protected]
X
III
APROBACIÓN DEL TUTOR
En mi calidad de Tutor del trabajo de investigación, “IMPLEMENTACIÓN DE UNA
ESTACIÓN METEOROLÓGICA PARA LA FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES
DE LA UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL UTILIZANDO HERRAMIENTAS OPEN
SOURCE” elaborado la Srta. Lucy Viviana Anastacio Burgos y el Sr. Marlon Ramón
Barzola Romero, Alumno no titulado de la Carrera de Ingeniería en Networking y
Telecomunicaciones, Facultad de Ciencias Matemáticas y Físicas de la Universidad
de Guayaquil, previo a la obtención del Título de Ingeniero en Networking y
Telecomunicaciones, me permito declarar que luego de haber orientado, estudiado y
revisado, la Apruebo en todas sus partes.
Atentamente
________________________________________
ING. JUAN CARLOS YTURRALDE VILLAGÓMEZ, M.Sc.
TUTOR
IV
DEDICATORIA
Este proyecto de titulación va dedicado a mi
padre Ramón Barzola Zambrano y a mi madre
Marlene Romero Vera ya que gracias a sus
buenos consejos y apoyo incondicional siempre
he superado las dificultades que se me han
presentado y es así como he podido alcanzar mis
metas y objetivos.
Marlon Ramón Barzola Romero
Este proyecto de titulación va dedicado a mis
padres Luis Anastacio Guzmán y Lucila Burgos
Márquez que, gracias a su ejemplo de lucha
hacia un objetivo, enseñanzas y sobre todo su
amor incondicional he llegado a culminar mi
carrera universitaria. A mis hermanas, Dalia,
Tatiana y Genesis a pesar de que ya no las vea
seguido seguirán siendo un ejemplo de
perseverancia.
Lucy Viviana Anastacio Burgos
V
AGRADECIMIENTO
Agradecemos a Dios por ser Él quien nos dio la
sabiduría para realizar este proyecto.
Al Ing. Vinicio Xavier Macas Espinosa M.Sc.
director de la Carrera de Ingeniería Ambiental
por permitirnos realizar nuestro trabajo de
titulación y al Instituto Nacional de Meteorología
e Hidrología por facilitarnos el ingreso a sus
instalaciones en la Facultad de Ciencias
Naturales.
Lucy Viviana Anastacio Burgos y Marlon
Ramón Barzola Romero
VI
TRIBUNAL DEL PROYECTO DE TITULACIÓN
________________________________ ______________________________
Ing. Fausto Cabrera Montes, M.Sc. Ing. Abel Alarcón Salvatierra, Mgs.
DECANO DE LA FACULTAD DIRECTOR DE LA CARRERA
CIENCIAS MATEMÁTICAS Y INGENIERÍA EN NETWORKING Y
FÍSICAS TELECOMUNICACIONES
________________________________ _____________________________
Ing. Ximena Acaro Chacón, M.Sc. Ing. Luis Espín Pazmiño, M.Sc.
PROFESOR REVISOR DEL PROFESOR DE ÁREA
PROYECTO DE TITULACIÓN DESIGNADO EN EL TRIBUNAL
________________________________
Ing. Juan Yturralde Villagómez, M.Sc
PROFESOR TUTOR DEL PROYECTO
DE TITULACIÓN
________________________________
Ab. Juan Chávez Atocha, Esp.
SECRETARIO(E) DE LA FACULTAD
VI
DECLARACIÓN EXPRESA
“La responsabilidad del contenido de este
Proyecto de Titulación, me corresponden
exclusivamente; y el patrimonio intelectual
de la misma a la Universidad de Guayaquil”.
Anastacio Burgos Lucy Viviana
Barzola Romero Marlon Ramón
VII
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS Y FÍSICAS
CARRERA DE INGENIERÍA EN NETWORKING Y
TELECOMUNICACIONES
IMPLEMENTACIÓN DE UNA ESTACIÓN METEOROLÓGICA PARA LA
FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES DE LA UNIVERSIDAD DE
GUAYAQUIL UTILIZANDO HERRAMIENTAS OPEN SOURCE
Proyecto de Titulación que se presenta como requisito para optar por el
título de:
INGENIERO EN NETWORKING Y TELECOMUNICACIONES
AUTOR (ES):
ANASTACIO BURGOS LUCY VIVIANA
C.I.: 0950088575
BARZOLA ROMERO MARLON RAMÓN
C.I.: 0927181313
TUTOR: ING. JUAN CARLOS YTURRALDE VILLAGÓMEZ, M.Sc
Guayaquil, octubre de 2019
VIII
CERTIFICADO DE ACEPTACIÓN DEL TUTOR
En mi calidad de Tutor del proyecto de titulación, nombrado por el Consejo
Directivo de la Facultad de Ciencias Matemáticas y Físicas de la Universidad de
Guayaquil.
CERTIFICO:
Que he analizado el Proyecto de Titulación presentado por los estudiantes
ANASTACIO BURGOS LUCY VIVIANA y BARZOLA ROMERO MARLON
RAMÓN, como requisito previo para optar por el título de Ingeniero en Networking
y Telecomunicaciones cuyo tema es:
“IMPLEMENTACIÓN DE UNA ESTACIÓN METEOROLÓGICA PARA LA
FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES DE LA UNIVERSIDAD DE
GUAYAQUIL UTILIZANDO HERRAMIENTAS OPEN SOURCE”.
Considero aprobado el trabajo en su totalidad
Presentado por:
ANASTACIO BURGOS LUCY VIVIANA C.I.: 0950088575
BARZOLA ROMERO MARLON RAMÓN C.I.: 0927181313
Tutor: ing. Juan Carlos Yturralde Villagómez, M.Sc
Guayaquil, octubre de 2019
IX
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS Y FÍSICAS
CARRERA DE INGENIERÍA EN NETWORKING Y
TELECOMUNICACIONES
Autorización para Publicación de Proyecto de Titulación en
Formato Digital
1. Identificación del Proyecto de Titulación:
Nombre del Alumno: Anastacio Burgos Lucy Viviana
Dirección:
Teléfono: 0982808872 E-Mail: [email protected]
Nombre del Alumno: Barzola Romero Marlon Ramón
Dirección: Samanes 3 Mz 309 V15.
Teléfono: 0967342702 E-Mail: [email protected]
Facultad: Ciencias Matemáticas y Físicas
Carrera: Ingeniería en Networking y Telecomunicaciones
Título al que opta: Ingeniero en Networking y Telecomunicaciones
Profesor tutor: Ing. Juan Carlos Yturralde Villagómez, M.Sc.
X
Título del Proyecto de Titulación: Implementación de una Estación
Meteorológica para la Facultad de Ciencias Naturales de la Universidad
de Guayaquil utilizando herramientas Open Source.
Tema del Proyecto de Titulación: Meteorología, Estación
meteorológica, Software Libre, Microcontroladores, GPRS
2. Autorización de Publicación de Versión Electrónica del Proyecto
de Titulación.
A través de este medio autorizo a la Biblioteca de la Universidad de
Guayaquil y a la Facultad de Ciencias Matemáticas y Físicas a publicar
la versión electrónica de este Proyecto de titulación.
Publicación Electrónica:
Inmediata: X Después de 1 año:
Firma Alumnos:
3. Forma de envío:
El texto del proyecto de titulación debe ser enviado en formato Word, como
archivo .Doc. o .RTF y. Puf para PC. Las imágenes que la acompañen
pueden ser: .Gif, .Jpg o .TIFF.
DVD-ROM CD-ROM
X
XI
ÍNDICE GENERAL
APROBACIÓN DEL TUTOR ............................................................................... III
DEDICATORIA ................................................................................................... IV
AGRADECIMIENTO ............................................................................................ V
TRIBUNAL DEL PROYECTO DE TITULACIÓN ................................................. VI
DECLARACIÓN EXPRESA ................................................................................ VI
CERTIFICADO DE ACEPTACIÓN DEL TUTOR ............................................... VIII
Autorización para Publicación de Proyecto de Titulación en Formato Digital ...... IX
ABREVIATURAS ............................................................................................. XIV
SIMBOLOGÍA .................................................................................................. XIV
INDICE DE CUADROS ..................................................................................... XV
ÍNDICE DE GRÁFICOS ................................................................................... XVI
RESUMEN ..................................................................................................... XVIII
ABSTRACT ..................................................................................................... XIX
INTRODUCCIÓN ................................................................................................. 1
CAPÍTULO I ........................................................................................................ 2
EL PROBLEMA................................................................................................... 2
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .................................................................. 2
Ubicación del problema en un contexto ............................................................ 2
Situación Conflicto Nudos Críticos ................................................................... 3
Causas y Consecuencias del Problema ........................................................... 4
Delimitación del Problema ................................................................................ 4
Formulación del Problema ............................................................................... 4
Evaluación del Problema .................................................................................. 5
OBJETIVOS ........................................................................................................ 5
Objetivo General .............................................................................................. 5
Objetivos Específicos ....................................................................................... 5
ALCANCES DEL PROBLEMA ............................................................................. 6
JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA ..................................................................... 6
METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN .......................................................... 7
CAPITULO II ....................................................................................................... 9
MARCO TEÓRICO .............................................................................................. 9
ANTECEDENTES DEL ESTUDIO ....................................................................... 9
XII
FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA ........................................................................ 13
Sistema Climático .......................................................................................... 13
Meteorología .................................................................................................. 15
Clima .............................................................................................................. 16
Climatología ................................................................................................... 17
Variables Meteorológicas ............................................................................... 18
Temperatura ............................................................................................... 18
Humedad relativa........................................................................................ 19
Precipitación ............................................................................................... 20
ESTACIONES METEOROLÓGICAS ................................................................. 20
Estaciones Meteorológicas Convencionales .................................................. 21
Estaciones Meteorológicas Automáticas ........................................................ 22
Pantalla de Stevenson ................................................................................... 23
TECNOLOGÍA EMPLEADA PARA LA COMUNICACIÓN ENTRE LA ESTACIÓN
Y EL SERVIDOR ............................................................................................... 24
GSM ............................................................................................................... 24
Estaciones móviles y estaciones base ........................................................ 26
GPRS ............................................................................................................. 26
Funcionamiento GPRS ............................................................................... 27
Elementos de una red GPRS ...................................................................... 28
COMPONENTES ELECTRÓNICOS EMPLEADOS PARA LA CONSTRUCCIÓN
DE LA ESTACIÓN METEOROLÓGICA ............................................................. 31
Arduino Uno ................................................................................................... 31
Raspberry Pi Zero .......................................................................................... 32
Módulo A7 GSM/GPS/GPRS ......................................................................... 33
Comandos AT ................................................................................................ 34
Sensor DHT21 ............................................................................................... 34
Sensor HC-SR04 ........................................................................................... 36
Regulador de voltaje Step-Down LM2596S con Display ................................. 37
Panel solar 18V 15W...................................................................................... 38
Regulador solar CMP12-10A .......................................................................... 38
Batería recargable GEL 12V 7.0 Ah ............................................................... 39
Caja estanca ip65 .......................................................................................... 40
SOFTWARE UTILIZADO PARA LA PROGRAMACIÓN Y CONFIGURACIÓN
DEL PROYECTO ............................................................................................... 41
XIII
Arduino IDE .................................................................................................... 41
Raspbian ........................................................................................................ 41
Patrón Modelo – Vista – Controlador .............................................................. 42
PHP ............................................................................................................... 43
MySQL ........................................................................................................... 44
PhPMyAdmin ................................................................................................. 45
FUNDAMENTACIÓN LEGAL ............................................................................. 46
PREGUNTA CIENTÍFICA .................................................................................. 49
DEFINICIONES CONCEPTUALES ................................................................... 50
CAPÍTULO III .................................................................................................... 53
PROPUESTA TECNOLÓGICA ......................................................................... 53
ANÁLISIS DE FACTIBILIDAD............................................................................ 53
FACTIBILIDAD OPERACIONAL .................................................................... 54
FACTIBILIDAD TÉCNICA .............................................................................. 54
FACTIBILIDAD LEGAL .................................................................................. 69
FACTIBILIDAD ECONÓMICA ........................................................................ 69
ETAPAS DE LA METODOLOGÍA DEL PROYECTO ......................................... 71
ENTREGABLES DEL PROYECTO.................................................................... 72
CRITERIOS DE VALIDACIÓN DE LA PROPUESTA ......................................... 72
CAPÍTULO IV .................................................................................................... 84
CRITERIOS DE ACEPTACIÓN DEL PRODUCTO O SERVICIO ...................... 84
CONCLUSIONES .............................................................................................. 86
RECOMENDACIONES ...................................................................................... 87
BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................. 88
ANEXOS ........................................................................................................... 94
XIV
ABREVIATURAS
OMM Organización Meteorológica Mundial
INAMHI Instituto Nacional de Meteorología e Hidrología
GSM Sistema Global para las Comunicaciones Móviles
GPRS Servicio General de Paquetes Vía Radio
PPDIOO Preparar, Planear, Diseñar, Implementar, Operar, Optimizar
IDE Entorno de Desarrollo Integrado
Tx Transmisión
Rx Recepción
SIMBOLOGÍA
Ah Amperio Hora
VCC Voltaje Continuo
oC Grados Celsius
RH Humedad Relativa
mm Milímetros
s Desviación estándar
e Error
E Espacio muestral
E(Y) Esperanza matemática de la v.a. y
s Estimador de la desviación estándar
e Exponencial
XV
INDICE DE CUADROS
Cuadro 1: Causas y consecuencias del problema .................................................... 4
Cuadro 2. Clasificación de las estaciones meteorológicas de acuerdo con las
necesidades de los datos de observación ................................................................. 20
Cuadro 3. Equipos principales en una estación convencional ............................... 22
Cuadro 4. Especificaciones técnicas del Arduino Uno ............................................ 31
Cuadro 5. Especificaciones Técnicas Módulo A7 GSM/GPS/GPRS .................... 34
Cuadro 6. Especificaciones técnicas Sensor DHT21 .............................................. 35
Cuadro 7. Especificaciones técnicas del Sensor HC-SR04 ................................... 36
Cuadro 8. Especificaciones técnicas LM2596S ....................................................... 37
Cuadro 9. Especificaciones técnicas Regulador Solar CMP12-10A ..................... 39
Cuadro 10. Componentes necesarios para la implementación de la estación
meteorológica. ................................................................................................................ 55
Cuadro 11. Conexión de puertos serie entre Arduino Uno y el módulo A7 ......... 57
Cuadro 12. Comandos AT utilizados para la comunicación entre la estación y el
servidor ............................................................................................................................ 60
Cuadro 13. Precio de estaciones meteorológicas automáticas en el mercado ... 69
Cuadro 14. Presupuesto de la estación meteorológica........................................... 70
Cuadro 15. Porcentajes de nivel de confianza ......................................................... 73
Cuadro 16. Parámetros usados para el cálculo de muestra del proyecto ........... 74
Cuadro 17. Cuadro estadística pregunta 1 ............................................................... 75
Cuadro 18. Cuadro estadística pregunta 2 ............................................................... 76
Cuadro 19. Cuadro estadística pregunta 3 ............................................................... 77
Cuadro 20. Cuadro estadística pregunta 5 ............................................................... 79
Cuadro 21. Cuadro estadística pregunta 6 ............................................................... 80
Cuadro 22. Cuadro estadística pregunta 7 ............................................................... 81
Cuadro 23. Cuadro estadística pregunta 8 ............................................................... 82
Cuadro 24. Criterios de aceptación del producto o servicio ................................... 85
XVI
ÍNDICE DE GRÁFICOS
Gráfico 1 Lifecycle Services de Cisco.......................................................................... 7
Gráfico 2 Sistema climático ......................................................................................... 15
Gráfico 3 Estación meteorológica automática .......................................................... 21
Gráfico 4 Estación meteorológica convencional ...................................................... 22
Gráfico 5 Componentes de una estación meteorológica automática ................... 23
Gráfico 6 Pantalla de Stevenson ................................................................................ 24
Gráfico 7 Funcionamiento GPRS ............................................................................... 28
Gráfico 8 Elementos Red GPRS ................................................................................ 29
Gráfico 9 Partes de un Arduino Uno .......................................................................... 31
Gráfico 10 Raspberry Pi Zero ..................................................................................... 33
Gráfico 11 Módulo A7 GSM/GPS/GPRS ................................................................... 33
Gráfico 12 Sensor de temperatura y humedad relativa DHT21............................. 35
Gráfico 13 Funcionamiento del sensor HC-SR04 .................................................... 36
Gráfico 14 Regulador de Voltaje LM2596S .............................................................. 37
Gráfico 15 Panel solar fotovoltaico 18V 15W ........................................................... 38
Gráfico 16 Regulador solar CMP12-10A ................................................................... 39
Gráfico 17 Batería de GEL 12V 7.0 Ah...................................................................... 40
Gráfico 18 Caja estanca ip65 ...................................................................................... 40
Gráfico 19 Arduino IDE ................................................................................................ 41
Gráfico 20 Logotipo Raspbian ..................................................................................... 42
Gráfico 21 ¿Qué es el MVC? ...................................................................................... 43
Gráfico 22 Esquema general MVC ............................................................................. 43
Gráfico 23 Sintaxis PHP ............................................................................................... 44
Gráfico 24 Creación de Cuadro en MySQL .............................................................. 44
Gráfico 25 Interfaz de phpMyAdmin ........................................................................... 45
Gráfico 26 Esquema de funcionamiento general ..................................................... 54
Gráfico 27 Conexión solar y comunicación entre Arduino Uno y el módulo A7 .. 56
Gráfico 28 Conexión entre Arduino Uno y los sensores ......................................... 58
Gráfico 29 Diagrama de tiempo del sensor HC-SR04 ............................................ 59
Gráfico 30 Placa del microcontrolador a programar ................................................ 60
Gráfico 31 Componentes electrónicos interconectados ......................................... 61
Gráfico 32 Script para la inserción en la base de datos ......................................... 63
Gráfico 33 Envío de información vía GPRS hacia el servidor ............................... 64
Gráfico 34 Menú del sitio web ..................................................................................... 65
Gráfico 35 Consulta de historial .................................................................................. 65
Gráfico 36 Resultados mediante el historial de datos ............................................. 66
Gráfico 37 Muestras recolectadas por la estación ................................................... 67
Gráfico 38 Reporte diario del INAMHI ....................................................................... 68
Gráfico 39 Reporte generado por el proyecto estación meteorológica ................ 68
Gráfico 40 Diagrama de pastel pregunta 1 ............................................................... 75
Gráfico 41 Diagrama de pastel pregunta 2 ............................................................... 76
XVII
Gráfico 42 Gráfico de barras pregunta 3 ................................................................... 77
Gráfico 43 Cuadro estadístico pregunta 4 ................................................................ 78
Gráfico 44 Diagrama de pastel pregunta 4 ............................................................... 78
Gráfico 45 Diagrama de pastel pregunta 5 ............................................................... 79
Gráfico 46 Diagrama de pastel pregunta 6 ............................................................... 80
Gráfico 47 Diagrama de pastel pregunta 7 ............................................................... 81
Gráfico 48 Diagrama de pastel pregunta 8 ............................................................... 82
XVIII
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS Y FÍSICAS
CARRERA DE INGENIERÍA EN NETWORKING Y TELECOMUNICACIONES
“IMPLEMENTACIÓN DE UNA ESTACIÓN METEOROLÓGICA PARA LA
FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES DE LA UNIVERSIDAD DE
GUAYAQUIL UTILIZANDO HERRAMIENTAS OPEN SOURCE”
Autores: Lucy Viviana Anastacio Burgos
Marlon Ramón Barzola Romero
Tutor: Ing. Juan Carlos Yturralde Villagómez, M.Sc.
RESUMEN
El presente trabajo de titulación tiene como objetivo desarrollar una estación
meteorológica utilizando herramientas Open Source, que medirá las variables de
temperatura, humedad relativa y precipitación para la Facultad de Ciencias
Naturales de la Universidad de Guayaquil empleando la metodología de
investigación PPDIOO. La información que recolecte este sistema será enviada
a un servidor Raspberry Pi Zero mediante comunicación GPRS y para visualizar
los datos se desarrollará una aplicación web que permitirá realizar consultas por
fecha. De esta manera se promoverá el desarrollo académico y profesional de
los estudiantes ya que tendrán acceso instantáneo a estas variables.
Palabras claves: Meteorología, Estación meteorológica, Software Libre,
Microcontroladores, GPRS.
XIX
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS Y FÍSICAS
CARRERA DE INGENIERÍA EN NETWORKING Y TELECOMUNICACIONES
“IMPLEMENTACIÓN DE UNA ESTACIÓN METEOROLÓGICA PARA LA
FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES DE LA UNIVERSIDAD DE
GUAYAQUIL UTILIZANDO HERRAMIENTAS OPEN SOURCE”
Autores: Lucy Viviana Anastacio Burgos
Marlon Ramón Barzola Romero
Tutor: Ing. Juan Carlos Yturralde Villagómez, M.Sc.
ABSTRACT
The objective of this project is to develop a weather station using Open Source
tools, which will measure the temperature, relative humidity and precipitation
variables for the Faculty of Natural Sciences of the University of Guayaquil using
the PPDIOO research methodology. The information collected by this system will
be sent to a Raspberry Pi Zero server through GPRS and to visualize the data a
web application will be developed that will allow queries by date. This will promote
the academic and professional development of students, as they will have instant
access to these variables.
Keywords: Meteorology, Weather Station, Open Source, Microcontroller, GPRS.
1
INTRODUCCIÓN
Hoy en día los cambios climáticos se están viendo amenazados debido al gran
impacto del calentamiento global, es aquí donde los Ingenieros Ambientales
juegan un papel importante en el estudio de la meteorología y climatología con la
ayuda de equipos especializados como las estaciones meteorológicas. Estos
equipos se conforman principalmente por un conjunto de sensores que se
encargan de medir diferentes parámetros ambientales o variables climáticas, tales
como: la temperatura del aire, la precipitación o nivel de lluvia, la presión
atmosférica, la velocidad del viento, entre otras.
El propósito del presente trabajo de titulación es el desarrollo de una estación
meteorológica para la Facultad de Ciencias Naturales de la Universidad de
Guayaquil utilizando herramientas Open Source tales como: Arduino Uno y
Raspberry Pi, de manera que el microcontrolador se encargue de recopilar la
información a través de los sensores de temperatura y humedad relativa; también
se medirá el nivel de lluvia con la ayuda de un sensor ultrasónico y posteriormente
se establecerá una comunicación GPRS entre el Arduino y Raspberry para el
almacenamiento de la información.
En el Capítulo I se desarrollará el análisis del planteamiento del problema y se
establecerán los objetivos específicos de la tesis, así como el alcance y la
justificación del trabajo; en el Capítulo II abordaremos el marco teórico, el cual
contendrá toda la bibliografía necesaria para especificar los componentes de
hardware y software que utilizaremos para cumplir con nuestros objetivos; en el
Capítulo III se llevará a cabo un análisis de factibilidad que nos permitirá constatar
la viabilidad de nuestra propuesta para la Facultad de Ciencias Naturales;
finalmente en el Capítulo IV se mostrarán los criterios de aceptación del producto.
2
CAPÍTULO I
EL PROBLEMA
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Ubicación del problema en un contexto
Actualmente en la Facultad de Ciencias Naturales de la Universidad de Guayaquil
existe una estación meteorológica que pertenece al Instituto Nacional de
Meteorología e Hidrología (INAMHI) gracias a un convenio establecido entre estas
dos instituciones donde los estudiantes pueden planificar, ejecutar proyectos
específicos e interactuar con la estación meteorológica en ciertas materias como
meteorología y climatología para mejorar el desarrollo profesional de los
estudiantes, sin embargo, este sistema no les ofrece un historial de los datos
recopilados, ya que esta es información que pertenece al INAMHI para realizar
investigaciones en la ciudad de Guayaquil. La Organización Meteorológica
Mundial afirma:
“El desafío que plantea el cambio climático mundial está incrementando las
necesidades de datos climáticos y sistemas de gestión de datos en una proporción
mucho mayor a la prevista cuando se establecieron las primeras redes. Con el fin
de responder a estas necesidades, es sumamente importante que tanto la
información climática actual como la histórica sean gestionadas de manera
sistemática y exhaustiva”. (Organización Meteorológica Mundial, 2011)
La Facultad de Ciencias Naturales necesita información en tiempo real e histórica
para poder tener un control adecuado de las variables meteorológicas, con el
objetivo de que docentes y estudiantes puedan llevar a cabo estudios
biodigestores o proyectos de tesis con resultados favorables. El presente proyecto
busca contribuir al estudio meteorológico y climatológico que efectúa la Facultad
de Ciencias Naturales de la Universidad de Guayaquil, ofreciéndoles una estación
meteorológica que medirá variables de temperatura, humedad y
3
precipitación utilizando herramientas Open Source, almacenando la información
recopilada en un historial que permita a la Facultad realizar sus estudios.
Situación Conflicto Nudos Críticos
El problema se origina porque la estación meteorológica que se encuentra ubicada
en la Facultad de Ciencias Naturales es de propiedad del INAMHI, los datos
recopilados por esta estación sirven para que la ciudadanía pueda consultar el
pronóstico del clima, observar registros diarios a nivel nacional a través de su
página web y para que los encargados de la estación realicen investigaciones en
la ciudad de Guayaquil. Sin embargo, los estudiantes en la asignatura de
Hidrología necesitan consultar datos de precipitación en tiempo pasado, esto con
la finalidad que ellos puedan realizar planes de gestión de riesgos como medidas
al fenómeno del niño.
Otro problema que presenta la Facultad de Ciencias Naturales es que no pueden
realizar estudios adecuados de invernaderos biodigestores los cuales consisten
en resguardar los cultivos que se encuentran en el interior de grandes estructuras
metálicas, para lograrlo necesitan saber las temperaturas y humedades
adecuadas con las que cuenta el área destinada a este propósito.
En el desarrollo de tesis de los estudiantes de la carrera de Ingeniería Ambiental
en algunas ocasiones necesitan datos históricos. Actualmente para conseguir la
información meteorológica necesitan solicitarla al INAMHI, y este proceso de
espera genera atrasos significativos en el progreso de sus investigaciones.
4
Causas y Consecuencias del Problema
A continuación, se detallan las causas y problemas que motivan el presente
trabajo de titulación:
Cuadro 1 Causas y consecuencias del problema
Causas Consecuencias
No visualizar datos en tiempo real. Estudios inexactos a corto plazo.
Falta de un historial de datos. No poder realizar planes de
gestión de riesgo o estudios de
invernaderos.
Dependencia de recursos de otras
instituciones.
Costos elevados de implementación.
Recolección de datos de manera
manual por parte de los estudiantes.
Información inexacta para los estudios.
Elaborado por: Lucy Anastacio– Marlon Barzola Fuente: Datos de la investigación
Delimitación del Problema
Campo: Meteorología y Climatología.
Área: Redes y Comunicaciones.
Aspectos: Tecnologías de la Información.
Tema: Implementación de una estación meteorológica para la Facultad de
Ciencias Naturales de la Universidad de Guayaquil utilizando herramientas Open
Source.
Formulación del Problema
¿Mejorarían los estudios de meteorología y climatología en la Facultad de
Ciencias Naturales de la Universidad de Guayaquil al disponer de datos climáticos
visualizados en tiempo real y almacenados cronológicamente en un historial?
5
Evaluación del Problema
A continuación, se detallan los aspectos que permiten evaluar el problema de
nuestro trabajo de titulación:
Claro: Falta de historial de datos climáticos en la Universidad de Guayaquil en la
Facultad de Ciencias Naturales.
Evidente: Se obtendrán mejoras en los estudios climatológicos en las asignaturas
impartidas en la Facultad y en sus propios proyectos.
Relevante: Se realizarán los estudios de nuestra tesis para una Institución
Académica y resolver un problema aplicando los conocimientos aprendidos de
nuestra carrera.
Factible: Se implementará una estación meteorológica de bajo costo para la
facultad de Ciencias Naturales y podrán consultar la información a través de un
historial de datos.
Identifica los productos esperados: Útil, empleando tecnologías Open Source
tanto para hardware y software.
Variables: Temperatura, Humedad, Precipitación.
OBJETIVOS
Objetivo General
Implementar una estación meteorológica con visualización de información
histórica por medio de una interfaz web utilizando herramientas Open Source para
la Facultad de Ciencias Naturales de la Universidad de Guayaquil.
Objetivos Específicos
• Hacer un levantamiento de información de variables meteorológicas de
acuerdo con los requerimientos de la Facultad de Ciencias Naturales.
• Diseñar una estación meteorológica para el monitoreo de datos de
temperatura, humedad relativa y precipitación.
6
• Implementar la estación meteorológica para la recopilación de los datos en
la Facultad de Ciencias Naturales de la Universidad de Guayaquil.
• Desarrollar una aplicación web que permita visualizar los datos recopilados
por la estación y almacenarlos en una base de datos.
ALCANCES DEL PROBLEMA
En este proyecto se diseñará y construirá una estación meteorológica para la
Facultad de Ciencias Naturales en la Universidad de Guayaquil utilizando
herramientas Open Source para medir las variables de temperatura, humedad y
precipitación (nivel de lluvia); esta información será almacenada vía GPRS en un
servidor de base de datos MySQL que estará alojado en el ordenador de tamaño
reducido conocido como Raspberry PI, visualizando la información en tiempo real
y con la posibilidad de ver un historial de datos a través de una interfaz web.
JUSTIFICACIÓN E IMPORTANCIA
El presente trabajo de titulación resulta de gran importancia para la Facultad de
Ciencias Naturales de la Universidad de Guayaquil, debido a que este sistema
ayudará a los docentes y estudiantes de la institución a tener acceso a datos
climáticos en tiempo real, los mismos que pueden ser almacenados a través de
un historial por una aplicación web que permitirá visualizar la información de las
variables ambientales establecidas en nuestros objetivos.
“En la actualidad existen herramientas tecnológicas que pueden ser
utilizadas para generar automatizaciones comparables a las ofrecidas por una
empresa profesional, las herramientas Open Source dan una opción a esta
tecnología” (Castro Naranjo, 2019).
El uso de las tecnologías Open Source reducirá los costos de implementación del
proyecto, dando como resultado un presupuesto asequible para la Universidad en
comparación a las estaciones meteorológicas existentes en el mercado.
7
METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN
La metodología PPDIOO sigue varias fases, con éstas es posible estructurar y
definir el ciclo de vida de una red. Esta metodología se adapta al desarrollo de
nuestro proyecto de titulación debido a sus siglas: Preparar, Planear, Diseñar,
Implementar, Operar, Optimizar.
Elaborado por: Cisco Systems. Fuente: (Cisco Systems, 2007)
Preparar: En forma general, al entrar en la etapa de preparación, una
organización realiza una lista de lo que se necesita en el ambiente comercial, de
igual manera, establece su estrategia y visión tecnológica. Es fundamental que
Preparar
Planear
Diseñar
Imple-mentar
Operar
Optimizar
Gráfico 1 Lifecycle Services de Cisco
8
indique previamente estos requisitos para asegurar que la red trabaje
cercanamente a lo requerido.
En esta fase nos centramos en identificar cuáles son los problemas que se
presentan en la Facultad de Ciencias Naturales al no disponer de una estación
meteorológica propia y de esta manera lograr diseñar e implementar un sistema
que solucione los inconvenientes que ocurren en los estudios meteorológicos y
climatológicos que realiza la Facultad.
Planear: “La fase del plan depende del estado actual de la red de la empresa. Un
plan de proyecto es lo siguiente a desarrollar. Si no existe una red actual, este
plan de proyecto debe incluir una cantidad de información que se requiere antes
de la siguiente fase” (Wilkins, 2011).
Una vez identificado el problema, procederemos a analizar que variables
ambientales necesita la Universidad e identificar los componentes de hardware y
software que nos ayudarán a cumplir el desarrollo del proyecto.
Diseñar: Para esta etapa proponemos el diseño de la estación meteorológica que
cumplirá con los requerimientos técnicos establecidos en la fase anterior.
Implementar: Se implementará el diseño propuesto de una estación
meteorológica.
Operar: “La implementación real y la verificación del diseño tienen lugar durante
este paso. Este se correlaciona directamente con la fase implementar de la
metodología PPDIOO” (Pereira Gutiérrez, 2017).
Se pondrá en funcionamiento la estación meteorológica en la Facultad de Ciencias
Naturales con un periodo de prueba de dos semanas para comprobar su correcto
funcionamiento.
Optimizar: Se comprobará que los resultados obtenidos se almacenen de manera
adecuada en la base de datos y que los sensores cumplan su función.
9
CAPITULO II
MARCO TEÓRICO
En el siguiente capítulo se detallarán los antecedentes de estudio, la
fundamentación teórica y las definiciones conceptuales de cada uno de los
componentes que conformará la estación meteorológica, también se detallarán las
herramientas empleadas para la construcción y el funcionamiento del sitio web
con el que se podrá visualizar los datos históricos e información en tiempo real de
las variables analizadas como: temperatura, humedad y precipitación.
El resultado final será una estación meteorológica de bajo costo para la Facultad
de Ciencias Naturales de la Universidad de Guayaquil, con el objetivo de que los
estudiantes puedan realizar sus estudios a corto y largo plazo.
ANTECEDENTES DEL ESTUDIO
Los primeros estudios científicos de la meteorología tienen sus orígenes en la
civilización griega, siendo Aristóteles (384-322 a.C) un filósofo macedonio quien
introdujo por primera vez el término “Meteorología” derivado de las palabras
griegas Meteoros que significa “alto en el cielo” y lógica, “conocimiento, tratado”.
Agencia Estatal de Meteorología (s.f) “En realidad, Aristóteles entendía el término
en un sentido más amplio: Todos los efectos que se pueden llamar comunes al
aire y al agua y las formas y partes de la Tierra y los efectos de sus partes” (p.1).
Se puede decir que este concepto no se aparta del estudio actual de la ciencia
atmosférica.
Fue Galileo (1564-1642) uno de los principales pioneros en el estudio de la
temperatura corporal, inventando el primer termómetro en 1597 al que llamó
termoscopio. El primero en realizar mediciones importantes con este instrumento
fue Sanctorius, médico italiano y discípulo de Galileo, con la finalidad de relacionar
esta información con alguna enfermedad.
10
Posteriormente los instrumentos meteorológicos comenzaron a surgir, siendo el
barómetro una herramienta creada por Evangelista Torriceli en 1643 con la
finalidad de medir la presión atmosférica, el anemómetro desarrollado por Hooke
en 1667 el cual mide la velocidad del viento para contribuir a las predicciones del
clima. Es así como nace el interés de crear la primera red de observatorios
meteorológicos en 1654 impulsada por Fernando II de Toscana.
Ahora bien, hablando desde un punto de vista académico, podemos mencionar
las siguientes investigaciones que han contribuido al estudio meteorológico y que
aportan al desarrollo del presente trabajo de titulación:
Primer caso de estudio: “Implementación de una Red de Estaciones
Meteorológicas utilizando transmisión GPRS en la Región Centro Andina
Ecuatorial”
Autores: Miguel A. Barriga Yuminguano, Juan J. Viscaíno Gavilánes, Celso G.
Recalde Moreno
Fuente: X Congreso de Ciencia y Tecnología ESPE 2015.
“El presente artículo detalla la implementación de nueve estaciones
meteorológicas automáticas en la región centro andina del Ecuador en sitios
determinados dentro del Convenio de Cooperación Interinstitucional para la
Implementación de una Red Provincial de Monitoreo Hidrometeorológico”.
(Barriga, 2015).
En el artículo se menciona que se desarrolló una red de nueve estaciones
meteorológicas en ciertas zonas del Chimborazo. La transmisión de datos se llevó
a cabo con un modem de Servicio General de Paquetes de Radio (GPRS) debido
a que según estudios realizados en la región centro andina del Ecuador esta
tecnología sería ideal para establecer un sistema de comunicación para la
obtención de datos por la buena calidad de red celular que se presentaba en las
zonas.
Se obtuvieron resultados favorables puesto que antes de la implementación, las
zonas del Chimborazo solo contaban con un limitado número de estaciones
meteorológicas manuales, sin embargo, con los módulos GPRS se pudo
11
automatizar e incrementar este número, abarcando una red completa de nueve
estaciones automáticas.
Segundo caso de estudio: “Diseño e Implementación de una Estación
Meteorológica utilizando microcontrolador Arduino-Raspberry pi con Radio
Enlace.”
Autor: Alan Bravo Vecorena
Fuente: Lima – Perú.
“El objetivo de la tesis es desarrollar el proceso de diseño de ingeniería de una
estación meteorológica, que sirva como base tecnológica para un modelo de
negocio comercial de estaciones meteorológicas experimentales para
investigación académica”. (Bravo Vecorena, 2016)
En esta tesis de grado el método empleado para la comunicación entre la estación
meteorológica y el servidor fue a través de un radio enlace punto a punto con un
alcance de 15 km.
Los resultados finales de esta investigación dieron a conocer que una estación
meteorológica automática puede ser construida bajo una arquitectura de código
abierto con la finalidad de reducir costos, logrando captar el interés del proyecto
en algunas instituciones públicas de la republica del Perú.
Tercer caso de estudio: “Diseño e Implementación de una estación
meteorológica basada en una red jerárquica de sensores, software libre y
sistemas embebidos para la empresa Elecaustro en la minicentral Gualaceo
utilizando comunicación MQTT y MODBUS.”
Autora: Sonia Isabel Palaguachi Encalada
Fuente: Cuenca – Ecuador.
En esta propuesta la autora estableció un enlace de comunicación basada en el
protocolo MQTT entre los sensores y el servidor Raspberry con la finalidad de que
la información que genere la estación meteorológica sea accesible desde
cualquier parte del mundo a través de una interfaz web programada en JAVA.
12
El objetivo principal de este proyecto fue el de poder minimizar los costos de
adquisición de una estación meteorológica para la empresa ELECAUSTRO S.A
que de acuerdo con su investigación menciona que estas pueden llegar a costar
alrededor de 20.000 USD.
Cuarto caso de estudio: “Implementación de una estación meteorológica
basada en hardware libre para obtener datos climáticos y efectuar un
análisis comparativo con los reportes online dado por el instituto nacional
de Meteorología e Hidrología.”
Autores: Adrián Alberto Martínez Crespín, Brenda Yocelin Moncayo Sánchez.
Fuente: Guayaquil – Ecuador.
Los autores presentaron un prototipo de estación meteorológica basada en
herramientas Open Source con la finalidad de dar a conocer a la sociedad que las
estaciones meteorológicas pueden ser construidas con esta tecnología para evitar
grandes costos en la adquisición de estos productos. Ellos mencionan que con la
ayuda del portal web del Instituto Nacional de Meteorología e Hidrología se
demostró que la precisión de los sensores de temperatura y humedad relativa que
usaron en este proyecto pueden llegar a tener un margen de error del 5,72% lo
que equivale a un total de 2oC en comparación a las estaciones a nivel profesional.
Quinto caso de estudio: “Diseño e Implementación de un prototipo de
estación meteorológica remota de bajo costo empleando el enfoque de
Internet de las Cosas.”
Autores: Daniel Steven Murcia Almanza, Anthony Rojas Paternina
Fuente: Bogotá D.C – Colombia.
Esta propuesta se enfoca a promover el internet de las cosas (IoT) orientando
estos conceptos hacia el estudio de las variables meteorológicas. Murcia Almanza
y Rojas Paternina (2015) mencionan lo siguiente:
“Este prototipo de estación puede ser de mucha utilidad para futuros desarrollos,
ya no solamente en el ámbito de la adquisición y transmisión de variables
atmosféricas, sino de utilidad en los temas de predicción, la mitigación, y la
13
adaptación a los fenómenos derivados del cambio climático”. (Murcia Almanza &
Rojas Paternina, 2015)
La conclusión a la que los autores llegaron fue de que estas estaciones de bajo
costo pueden llegar a medir más de 5 variables físicas simultáneamente y lograr
escalar el proyecto a lo largo del tiempo.
FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA
Antes de detallar los componentes de hardware y software utilizados para el
desarrollo de nuestro proyecto, debemos mencionar algunos conceptos que nos
servirán para comprender de mejor manera el uso que se les puede dar a estos
sistemas meteorológicos.
SISTEMA CLIMÁTICO
El sistema climático se conforma por cinco elementos o subsistemas que se
definen de la siguiente manera:
a) La atmósfera considerada como la capa gaseosa que envuelve la Tierra. Este
elemento es un componente principal de nuestro sistema climático, trae en si
varias funciones como: protegernos contra los rayos ultravioletas generados por
el sol y retener el calor como una especie de manta logrando así mantener la
superficie en condiciones estables.
b) La hidrósfera conformada por el agua dulce y salada en su estado líquido.
El componente importante de la hidrosfera son los océanos, dicho esto proviene
la combinación de dos factores: la primera, 2/3 de superficie del planeta es
interpretada por los océanos, el segundo factor, es causado por la elevación de
calor característico del agua para que esto se logre realizar el océano debe
absorber una gran cantidad de energía. Estos factores es parte importante, porque
transforma a los océanos en una gran reserva de energía que gestiona la
temperatura del planeta. Lo que genera que el océano sea un sumidero de CO2.
c) La criósfera que comprende el agua en su estado sólido. Está relacionada a
todas las masas de hielo y nieve que cae sobre la superficie de la tierra, es
14
ocasionada por la alta reflectividad de radiación solar incidente y una baja
conductividad térmica. Los estados, nieve y hielo se ejecutan como interceptor de
las superficies continentales y acuosas que se localiza debajo de ellas,
previniendo que desaparezcan con el calor hacia la atmosfera. La extensión
continental tiene variaciones de hielo que son lentas para generar en el clima
escalas estaciones e interanuales, las cuales son importantes en el cambio
climático a escala de decenas años.
d) La litósfera que define al suelo y sus distintas capas. Los tiempos de respuesta
de este elemento son más largos que los otros componentes del sistema climático
y se lo estima cambiantes. Existe una conexión entre el elemento de litosfera y la
hidrosfera, esto es causado por medio de traspaso de torques entre océanos y
continentes. Este elemento influye a la hora de crear un balance energético.
e) La biósfera que incluye a los seres vivos que habitan la Tierra. Este elemento
influye en el dióxido de carbono creando un balance en este compuesto químico
para así luego generen un cambio en la atmosfera y océanos a través de la
fotosíntesis, respiración y todas las difusiones de CO2 involucradas en las
actividades de las personas.
“De todos los componentes del sistema climático, los procesos atmosféricos
desempeñan el papel principal determinando las propiedades fundamentales del
clima, tales como la distribución de temperaturas y del agua en la superficie del
planeta. Pero, aunque la atmósfera sea el componente más importante del
sistema climático, el resto de componentes también influyen en el clima. Si no
fuera por el gran almacenamiento de calor por parte del océano durante el verano,
la variación estacional de la temperatura sobre los continentes en latitudes medias
y altas sería mucho mayor que la observada”. (Martín, 2016)
15
Gráfico 2 Sistema climático
Elaborado por: CIIFEN Fuente: (CIIFEN, 2017)
Meteorología
La Meteorología es la ciencia que estudia la atmósfera, así como sus propiedades
y los fenómenos que ocurren en ella. Sus estudios se basan en la comprensión
de las denominadas variables meteorológicas como es el caso de la temperatura,
la humedad relativa, precipitación entre otras variables que pueden variar en el
tiempo a corto plazo.
El término meteorología procede de “meteoro” y el sufijo “logos”. Meteoro como
expresión fue creado en Grecia y define algo de corta duración, efímero o fugaz.
Estos adjetivos son conocidos porque pueden ser utilizados y aplicados a
fenómenos atmosféricos: relámpagos, nubes, viento, lluvia, etc, todos estos se
encuentran en evolución o cambios constantes; un estado atmosférico es posible
que dé cabida a otro completamente distinto, en un tiempo corto, esta es conocida
como la característica más importante para la definición de tiempo meteorológico
(el tiempo, de forma reducida), en otras palabras, es el estado en que se encuentra
la atmósfera en un lugar y tiempo determinado. Por lo tanto, a la ciencia del tiempo
atmosférico se le denomina meteorología.
16
Aprovechar los recursos atmosféricos está fundamentalmente asociado a un
saber más exacto y profundo de los conocidos procesos atmosféricos, que facilite
beneficiarse de elementos como el agua meteórica, la energía eólica, la radiación
solar, entre otros, de igual forma salvaguardar al hombre y sus mecanismos que
contengan fuerzas destructoras que, generalmente ocasionan estragos en la
atmósfera, así también obtener una mejor comprensión sobre cómo las
actividades humanas, la salud y el comportamiento están ligadas a las condiciones
atmosféricas. Conociendo esto, la climatología y la meteorología entran en el
campo de las ciencias del medio ambiente.
Clima
Los climas son definidos al recopilar el total de observaciones efectuadas
diariamente en cada una de las estaciones meteorológicas presentadas en un
lapso de por lo menos treinta años para alcanzar una mínima pero válida fiabilidad.
El clima también puede ser entendido como el estado en el que se encuentra la
atmósfera, estos cambios son estudiados por medio de la Climatología.
El clima es el promedio obtenido de las variables meteorológicas presentes en una
zona geográfica después de un período prolongado de tiempo. Dichas variables
son las precipitaciones, la presión atmosférica, la humedad, y la temperatura.
Para representar una región o zona, un elemento fundamental es el clima, y a la
vez muy importante para poder detectar fenómenos que no son comunes. Al
escuchar sobre cambio climático, normalmente se habla del incremento de la
temperatura y como ésta, transforma los patrones del clima; esto quiere decir, que
existen zonas donde el clima ya ha sido identificado de forma completa, y
presentan cambios fuera de lo normal, un ejemplo, es cuando las personas viven
inviernos con climas fríos más fuerte de lo habitual o, al contrario, veranos
calurosos excesivos. El clima que existe en una zona viene influenciado por
diversos factores, algunos de estos son el tipo de terreno, la dirección del viento,
la proximidad del mar, la altitud, y la latitud. Por esto, mientras más lejos del
ecuador estén las naciones, su clima tenderá a ser más frío.
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Generalmente sucede en la mayor cantidad de casos, ya que existen zonas altas
no muy distantes del ecuador que poseen climas fríos. Un conjunto de variables
define al clima, no solo una de ellas.
Climatología
La Climatología no debe ser confundida con la Meteorología, puesto que esta se
define como una ciencia relacionada con la Física y Química que se encarga del
estudio del clima y como este puede variar a largo plazo.
El término climatología se origina de ‘clima’, la que al inicio fue expresada como
clina, por inclinación. Los griegos fueron también los que crearon esta palabra. Se
pudo ver de forma específica, en las latitudes medias, que los diversos escenarios
meteorológicos ocurrían en promedio durante el transcurso del año, ligados de
manera cercana con la variación presentada en la inclinación que producían los
rayos solares, por el movimiento anual ocasionado por la altura del sol. Debido a
esto, se definió a la climatología como el estudio estructurado y sistemático de los
estados promedios que ocurren en la atmósfera, sean prevalecientes o constantes
seguidos por los fenómenos meteorológicos que se efectúan individualmente.
La climatología en ciertas ocasiones es considera como una rama adicional de la
meteorología, por el hecho, que no se puede negar, de que es imposible realizar
un estudio del clima de algún lugar sin haber efectuado de manera previa los
respectivos estudios meteorológicos, o, dicho de otra forma, observaciones
meteorológicas. Visto desde esa perspectiva, la climatología pasaría a ser
conocida como una meteorología de carácter estadístico. Pero, en los últimos
tiempos, el campo de la climatología ha logrado avances independientes
relevantes, llegando más allá que su tradicional método descriptivo y
posicionándose como una ciencia diferente y con objetivos propios, con la idea de
que “el clima puede ser aún más que simples estados de sucesión de tiempo”,
definiendo en esta frase lo fundamental de factores geográficos tales como las
masas oceánicas, la orografía, entre otros, en la definición del término clima.
18
Variables Meteorológicas
La Agencia Estatal de Meteorología define a las variables meteorológicas de la
siguiente manera:
“Cantidad o magnitud meteorológica que puede adquirir distintos valores
numéricos dentro de un conjunto de números especificado. Algunas de las
principales variables meteorológicas son la presión atmosférica, la temperatura, la
humedad, la velocidad del viento, la nubosidad y la precipitación”. (Agencia Estatal
de Meteorología, 2018)
Las variables meteorológicas son cantidades que pueden ser medidas por medio
de los sistemas meteorológicos, un ejemplo puede ser la precipitación cuya unidad
de medición es el milímetro (mm).
Temperatura
Cuando hablamos de la temperatura nos referimos a la cantidad de calor o nivel
térmico que se encuentra presente en la atmósfera.
“La temperatura promedio se realiza en intervalos de 10 minutos tomando
muestras por cada minuto, su unidad de medición es en °C” (Gobierno de México,
s.f).
Se define a la temperatura como la medida del movimiento ocasionados por las
partículas en un medio. Un objeto puede poseer menos o más temperatura
dependiendo de la frecuencia de vibración, o de la velocidad de movimiento, de
todas las partículas que conforman dicho objeto. Al contrario de lo que se piensa,
calor y temperatura no son sinónimos, son conceptos que están relacionados
entre sí. Dado que el primero se mide en julios o calorías, la temperatura lo hace
en grados, ya sea Fahrenheit o centígrados.
A diferencia de cómo se puede pensar, la temperatura y su respectiva variación,
no disminuye acorde alcanza una altura en el sector atmosférico. Obtiene una
disminución constante con la altitud cuando se encuentra en la troposfera, en
teoría, 6.4°C por cada 1 kilómetro (1000 metros). A este fenómeno se le conoce
como gradiente vertical de temperatura. Al alcanzar una altura de unos 14000
19
metros (14 kilómetros), en donde el límite de la tropopausa se encuentra ubicado,
la temperatura de manera precipitada deja de disminuir y comienza a incrementar.
Las temperaturas mínimas y máximas que se pueden registrar en un día
prestablecido se utilizan para determinar la temperatura media del día, al sumar
las dos temperaturas y luego dividiendo la cifra obtenida entre dos. El promedio
calculado a base de las temperaturas medias de cada día muestra la temperatura
media mensual, de igual forma, las mensuales presentan la anual. Estas
definiciones son significativas cuando, se habla de un incremento de las
temperaturas medias globales, al considerar factores del cambio climático. El
incremento indica las temperaturas medias por año, lo que significa que los valores
ubicados a los extremos sean mínimos o máximos, serían mucho mayores.
Humedad relativa
Se define a la humedad relativa como la media o promedio de todas las
mediciones que son efectuadas en un lapso general de 10 minutos. Es necesario
obtener alguna muestra al pasar un minuto, así como en la temperatura.
Esta magnitud meteorológica nos indica la cantidad de agua que se presenta en
el aire. Se expresa a manera de %. La humedad relativa que se encuentra en un
determinado volumen de aire es posible que varíe. Incrementa posiblemente si
entra en contacto con alguna masa de agua en estado de evaporación, ya sea un
mar, lago o río. Pueden también presentar algún cambio con la temperatura. Si
una masa de aire no tiene contacto con algo que origine vapor, o, en otras palabras,
con una fuente de vapor de agua finita, hará que reduzca su humedad relativa si
incrementa la temperatura, dado que la calidez del aire posee una capacidad
mayor para tener vapor. A diferencia, si reduce la temperatura, la humedad relativa
incrementa, debido a que, si el aire está más frío, podrá ser capaz de tener una
menor cantidad de vapor. Si continúa en descenso la temperatura, alcanzará una
etapa donde el aire se saturé de humedad, por lo que su humedad relativa será
del 100%. El momento en el cual la temperatura continúa disminuyendo, y se
condensa en pequeñas gotas al vapor de agua, es denominado el punto de rocío.
20
Precipitación
La precipitación puede ser entendida como cualquier fenómeno físico que cae
desde la atmósfera (lluvia, granizo, nieve) hacia la corteza terrestre. Esta variable
se expresa en milímetros (mm).
ESTACIONES METEOROLÓGICAS
Según los expertos, las estaciones meteorológicas se definen como un lugar en
el cual se realizan una serie de estudios sobre el comportamiento del medio
ambiente y la atmósfera. Según la Organización Meteorológica Mundial estas
estaciones se clasifican de acuerdo con las necesidades de los datos de
observación que amerite la institución:
Cuadro 2 Clasificación de las estaciones meteorológicas de acuerdo con las
necesidades de los datos de observación
Clasificación de las estaciones meteorológicas
Según su finalidad: 1. Sinópticas
2. Climatológicas
3. Agrícolas
4. Aeronáuticas
5. Especiales
De acuerdo con la magnitud de las
observaciones
1. Principales
2. Ordinarias
3.Auxiliares
Por el nivel de observación 1. Superficie
2. Altitud
Según el lugar de observación 1. Terrestre
2. Aéreas
3. Marítimas
Elaborado por: Lucy Anastacio– Marlon Barzola Fuente: (Instituto Nacional de Investigaciones Agrícolas, 2017)
21
Para nuestro caso de estudio nos centraremos en las estaciones meteorológicas
de acuerdo con el nivel de observación basadas en la superficie, debido a que en
este grupo se encuentran las estaciones convencionales y las estaciones
automáticas.
Gráfico 3 Estación meteorológica automática
Elaborado por: Irri Systems Fuente: (Irri Systems, 2015)
Estaciones Meteorológicas Convencionales
“Es una estación que está constituida por instrumentos convencionales, donde
la variable meteorológica es convertida en un movimiento mecánico que hace
desplazar una plumilla sobre una banda de papel que se avanza continuamente
por un sistema de relojería, y genera una gráfica” (Instituto Nacional de
Investigaciones Agrícolas, 2017).
Una estación convencional requiere de la intervención de personal capacitado
para la lectura y registro de los datos, la información es generada gracias a los
sensores con los que la estación cuenta: termómetros, pluviómetros, veletas, entre
otros sensores que cumplen una determinada función.
22
Cuadro 3 Equipos principales en una estación convencional
Parámetro Sensor
Temperatura del aire Termómetro
Temperatura del bulbo húmedo Termómetro
Temperaturas extremas Termómetro de máxima y mínima
Precipitación Pluviómetro
Presión Barómetro y Barógrafo
Rapidez del viento Anemógrafo
Dirección del viento Veleta
Elaborado por: Lucy Anastacio Burgos – Marlon Barzola Fuente: (Ureña Elizondo, 2011)
Gráfico 4 Estación meteorológica convencional
Elaborado por: meteo.fisica.edu.uy Fuente: (Renom, 2011)
Estaciones Meteorológicas Automáticas
Este tipo de estaciones meteorológicas se basan en herramientas electrónicas,
que realizan sus registros de lecturas diarias en memorias de almacenamiento
sólido. A diferencia de las estaciones meteorológicas convencionales, estas
necesitan de poca intervención humana debido a que la información generada por
23
los sensores es enviada y almacenada en un servidor a través de un enlace de
comunicación establecido previamente.
Gráfico 5 Componentes de una estación meteorológica automática
Elaborado por: López Martínez Fuente: (López Martínez, 2016)
Pantalla de Stevenson
Tobajas Garcia nos dice:
“El objetivo de la pantalla de protección de Stevenson es evitar que las lecturas
de temperatura se vean alteradas por la radiación solar y proteger los sensores
contra posibles fenómenos adversos, como pueden ser la lluvia, el hielo, el rocío
y el viento” (Tobajas Garcia, 2016).
Este instrumento es común encontrarlo en cualquier tipo de estación
meteorológica, generalmente está hecho de algún material plástico o de madera
para evitar que los sensores obtengan valores elevados de temperatura.
24
Gráfico 6 Pantalla de Stevenson
Elaborado por: Alberto Tobajas García Fuente: (Tobajas Garcia, 2016)
TECNOLOGÍA EMPLEADA PARA LA COMUNICACIÓN
ENTRE LA ESTACIÓN Y EL SERVIDOR
El método de comunicación empleado entre la estación meteorológica y el servidor
fue a través de una red GPRS. Para poder entender el funcionamiento de este
detallaremos a continuación los conceptos fundamentales que conllevan esta
tecnología.
GSM
GSM por su nombre en inglés se refiere a Sistema Global de Comunicaciones
Móviles. Es un estándar muy usado conocido como 2G desde que hubo un gran
cambio en las comunicaciones analógicas a digitales.
La Universidad Internacional de Valencia nos indica que:
“La banda de frecuencia en la que opera el GSM difiere según el territorio. En
Europa se utiliza el espectro radioeléctrico de 900 y 1800 MHZ, mientras que en
Estados Unidos la banda es la de 1900. Esto hace que no todos los móviles GSM
puedan funcionar en todo el mundo, a no ser que su tecnología esté preparada
para conectarse a todas las bandas” (Universidad Internacional de Valencia, 2018).
25
La tecnología GSM tiene características para uso del envió de datos inalámbricos
desde cualquier parte que son las siguientes:
• Tiene una velocidad de transferencia de 9.6 Kbps.
• El tiempo de establecer la conexión es de 15 a 30 segundos.
• El pago será por tiempo de conexión.
Al tener una baja velocidad de transferir datos limitaría cierta cantidad de servicios
que internet puede ofrecer. Ejemplo, si la velocidad del internet es de 9.6 Kbps no
se podría navegar de manera provechosa, además hay que tener en
consideración el pago por tiempo de conexión que se utiliza y se paga en lugar del
uso por tráfico, los costes aumentarían.
Esta característica que tiene esta tecnología conlleva a que sea solo usada para
voz. La tecnología GSM utiliza TDMA (Acceso Múltiple por división de tiempo), su
función es asignar ranuras de múltiples flujos de tiempo de conversación y que
alterna una secuencia de cada conversación en pequeños intervalos. En el
transcurso de dichos intervalos, los dispositivos pueden transmitir la información.
Para diferenciar que usuarios se encuentran conectados a la red, cada dispositivo
usa un módulo de identificación de suscriptor llamado tarjeta SIM.
Matus expresa que:
“Las tarjetas SIM son una de las características claves de las redes GSM.
Albergan la suscripción de tu servicio, la identificación de la red y la información
de las direcciones. Las tarjetas también se utilizan para asignar espacios de
tiempo a la conversación telefónica y, además, le comunican a la red los servicios
a los cuales tienes acceso. Como dijimos, almacenan tus contactos, además de
la información del contacto que le corresponde. Incluso se pueden usar para pasar
información entre teléfonos, si un operador lo permite” (Matus, 2018).
26
Estaciones móviles y estaciones base
Los dispositivos celulares son denominados estaciones móviles. Para que una
estación este en función se requiere de una tarjeta SIM que abarca datos del
terminal y usuario. Cada dispositivo lleva un identificador único, denominado IMEI,
estas tarjetas tienen un identificador propio internacional, por lo cual puede
transferirse a otro equipo sin perder información.
La estación base o torre de repetición es indicada por la SIM, por la cual, el usuario
puede comunicarse a través de ella. Dicha conexión es realizada a través de
ondas de radio.
Las estaciones son unidas en red a través de un controlador, encargado de
manejar recursos para que una comunicación sea favorable para su uso. Al mismo
tiempo todos los controladores pueden conectarse al centro del conmutador a
través de un cable. Estos conmutadores son verificados por el operador de la
telefonía, donde se almacena toda la información y se comprueba las identidades
de las SIM.
GPRS
GPRS (General Packet Radio Service) es una tecnología que compensa lo
necesario en GSM, a lo que respecta en la transmisión de datos, insertando una
red de conmutación de paquetes que trabaja de manera paralela en la
conmutación de circuitos de GSM. Blasco nos menciona que:
“GPRS significa General Packet Radio Service (servicio general de paquetes
vía radio) y es una extensión mejorada del GSM. Permite la mensajería
instantánea, los servicios de mensajes cortos (SMS) y multimedia (MMS) y de
correo electrónico y que estemos "siempre conectados", entre otras cosas.
Proporciona una cobertura inalámbrica completa y velocidades de transferencia
de entre 56 a 114 kbps (kilobits por segundo). Por ejemplo, nos permite enviar 30
SMS por minuto, mientras que con GSM podemos mandar entre 6 y 10”. (Blasco,
2016)
La tecnología GPRS comenzó como una transformación de la red GSM
reutilizando parte de la estructura de GSM. Por lo cual, GPRS tiene desde sus
27
principios una misma cobertura que la actual red GSM. Sus objetivos principales
de esta tecnología son:
• Conservar los equipos de transmisión e interfaz radio GSM.
• Alcanzar a transmitir datos a una alta velocidad realizando pequeños
cambios en la red GSM.
El protocolo WAP fue una de las novedades principales que introdujo en este
sistema establecido para las aplicaciones inalámbricas, con esto los teléfonos
móviles pueden tener una gran cantidad de aplicaciones dentro de una red,
aprovechando del internet a través de los terminales móviles.
Uno de los cambios que implemento la tecnología GPRS fue el método de pago a
lo que se refiere en las transferencias de datos. Su proceso de pago era a través
del tiempo de conexión del usuario, lo que limitaba demasiado su uso. El pago
después fue equilibrado por megabytes consumidos, así cualquiera que tuviera un
dispositivo móvil tenía la posibilidad de esta conectado a la red por mucho más
tiempo y poder interactuar con algunas aplicaciones.
Funcionamiento GPRS
Uno o diversos puertos de comunicación que trabajan con formato USB, Ethernet,
serial RS485 o RS232, son unidas a la red de telefonía celular por medio de
módems GPRS. En otras palabras, trabajan como un teléfono celular, pero
disponen de un puerto de comunicación en vez de un micrófono o audífono. Al
haber establecido el contrato con la respectiva compañía de telefonía, se debe
insertar la tarjeta SIM al dispositivo.
El primer paso, es configurar el módem GPRS y permitir la comunicación a una
dirección IP previamente establecida. Es necesario que la IP del destinatario sea
permanente, debido a que, si no es de esta forma, habría que configurar
nuevamente el módem cada vez que se establezca la conexión, lo que se vuelve
imposible.
Si uno quiere que el módem no sea el responsable del inicio de la comunicación,
una opción es desarrollar una VPN o Red Privada Virtual, para que el dispositivo
28
conectado a dicho módem se convierta en parte de la red, así como los otros
equipos. Es decir, que trabaje como una red LAN, utilizando el servicio de Internet
como un adicional a la red, de manera que los datos sean encriptados y exista
seguridad.
Gráfico 7 Funcionamiento GPRS
Elaborado por: Raúl Cobos Fuente: (Cobo, 2014)
Actualmente es fácil utilizar la red GPRS que tienen las organizaciones de
telefonía móvil para transferir datos entre dispositivos de medición, actuación y
control que se van a instalar o que ya están instalados en las empresas, siendo
una gran competencia para las soluciones que mostraban los enlaces de
radiofrecuencias particulares, con el ahorro correspondiente del trámite de
frecuencias ante la entidad encargada de las mismas. Dichas redes, en la
actualidad, disponen de las seguridades respectivas, y su tasa de transferencia
de datos por medio de GPRS es de 50 kbit/s, en comparación con la tecnología
EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) que llega a 150 kbit/s, una
velocidad que goza de gran aceptación en proyectos industriales.
Elementos de una red GPRS
GSN (Gateway Support Node) de GPRS es el componente principal de la
infraestructura. GSN tiene dos tipos de nodos, tanto de entrada (Serving GPRS
Support Node, SGSN), que facilita una conectividad a las MSC de GSM y otros de
29
salida (Gateway GPRS Support Node, GGSN), que facilita la interconexión a los
datos externos en su sistema en redes.
Estos nodos pueden establecer la intercomunicación y la conexión con otras redes
de datos debido que tienen la capacidad de administrar el traslado de usuarios por
medio de inscripción GPRS, capaces de otorgar paquetes de datos a las
estaciones móviles. Los GSN pueden estar físicamente integrado en el MSC
(Mobile Switching Center) o pueden ser parte separados de la red.
Gráfico 8 Elementos Red GPRS
Elaborado por: Francisco Prieto Fuente: (Prieto, 2015)
A continuación, se detallan los nodos específicos de una red GPRS:
SGSN
SGSN es el componente principal de la red GPRS, vinculado al BSC por medio
de la interfaz Gb y forma un servicio para el terminal móvil un punto de acceso de
la red GPRS. Este elemento puede desempeñar una gran cantidad de numero
BSS (BTS+BSC). Sus funciones son:
• Los datos realizan una retransmisión entre el terminal GPRS y SGSN. Esto
se elabora en los dos valores, dependiendo donde se procedan los datos.
• Resistir una interfaz Gb con BSC.
30
• Gestión en los terminales móviles GPRS para su autenticación, si se
completa con éxito el proceso, encargar su inscripción y gestión de
movilidad en la red GPRS.
• Recopila información necesaria para generar CDRs (Call Detail
Recordings) de notas y enviarlos al GG.
• Gestionar la conversión del protocolo IP empleado en la red troncal a los
protocolos SNDCP y LLC empleados entre el SGSN y el terminal móvil.
Básicamente se puede decir que el SGSN equivale a una MSC a nivel funcional,
con la salvedad de que conmuta paquetes.
GGSN
El GGSN proporciona la interconexión entre la red GPRS y las redes de paquetes
de datos externas, como por ejemplo Internet, Intranets corporativas, etc.
El GGSN trata de encaminar una subred y oculta la infraestructura GPRS de las
redes externas.
GGSN tiene como función los siguientes literales:
• Admite desde la intranet o internet datos de usuarios y lo envía hacia el
SGSN controlado a través del terminal a una red troncal mediante el
protocolo GTP (GPRS Tunelling Protocol).
• Acepta paquetes de datos desde la red troncal GPRS, dirige esos datos
de usuarios hacia el internet.
• Desde la red troncal recibe datos y configura el procedimiento
correspondiente.
• Asegura la privacidad en la red y el terminal GPRS, por lo tanto, el GGSN
es el encargado de realizar una puerta entre las redes externas y la red
GPRS.
• Facilita direcciones IP cuando emplea direccionamiento dinámico a los
terminales GPRS.
31
COMPONENTES ELECTRÓNICOS EMPLEADOS PARA LA
CONSTRUCCIÓN DE LA ESTACIÓN METEOROLÓGICA
Arduino Uno
Arduino UNO es un microcontrolador que consta de 14 pines de entrada / salida
digital, 6 entradas analógicas, un cristal de cuarzo de 16 MHz, una conexión USB,
y un conector de alimentación. Este dispositivo se usa comúnmente para
desarrollar proyectos de electrónica y poder minimizar costos de adquisición en
los materiales que se vayan a requerir. Esta placa se programa con el Software
Arduino IDE que se obtiene descargándolo desde su página oficial “arduino.cc” y
compatible con las plataformas de Windows, Linux y Mac OSX.
Gráfico 9 Partes de un Arduino Uno
Elaborado por: Ingeniería Mecafenix Fuente: ( Ingeniería Mecafenix, 2017)
Cuadro 4 Especificaciones técnicas del Arduino Uno
Especificaciones técnicas
Microcontrolador ATmega328
Voltaje Operativo 5v
Voltaje de Entrada (Recomendado) 7 – 12 v
Pines de Entradas/Salidas Digital 14 (de las cuales 6 son salidas PWM)
Pines de Entradas Análogas 6
Memoria Flash: 32 KB
32
SRAM 2 KB
EPROM 1 KB
Velocidad de reloj 16 MHZ
Elaborado por: Lucy Anastacio– Marlon Barzola Fuente: (PlusElectric, 2014)
Raspberry Pi Zero
González García nos dice:
“El Raspberry Pi es un integrado de placa reducida, o placa única, de bajo costo
desarrollado en el Reino Unido por la fundación “Raspberry Pi”, con el objetivo de
estimular la enseñanza de ciencias de la computadora en las escuelas y
universidades” (González García, 2015).
La característica principal del Raspberry Pi Zero es que contiene algunas
funcionalidades del anterior Raspberry Pi, lo que ocasiona que sea más rápido
que el original. El Raspberry Pi Zero tiene una potencia que es dada por un
procesador Broadcom BCM2835 con su núcleo ARM11 de 1 GHz, lo cual esta
incrustado en la placa de circuitos. Este dispositivo necesita de una memoria RAM
para llevar a cabo el trabajo, lo cual trae 512MB de memoria. Su sistema operativo
se ejecuta desde una tarjeta tipo microSD.
Gracias al sistema operativo Raspbian, el integrado puede ser capaz de soportar
servidores web y servidores de bases de datos, en esta ocasión hemos decidido
optar como servidor web el programa Apache debido a su buena compatibilidad
con el lenguaje de programación PHP, y como gestor de base de datos
emplearemos MySQL Server por su gran velocidad de procesamiento de
información. Los programas mencionados al no depender de equipos potentes el
Raspberry podrá trabajar sin que se vea afectado su rendimiento.
33
Gráfico 10 Raspberry Pi Zero
Elaborado por: Raspberry Pi Foundation Fuente: (Raspberry Pi Foundation, 2019)
Módulo A7 GSM/GPS/GPRS
El A7 GSM/GPS/GPRS es módulo que nos permite realizar una comunicación
inalámbrica mediante el envío de paquetes SMS con la ayuda de una tarjeta SIM
de cualquier operadora gracias a su compatibilidad con la red GPRS de banda
dual GSM/GPRS. Este módulo soporta comandos AT que permiten enviar y recibir
llamadas y mensajes de texto.
En el presente proyecto el módulo A7 será empleado como medio de
comunicación entre el servidor de base de datos montado en el Raspberry PI y la
estación meteorológica aprovechando su funcionalidad de GPRS.
Gráfico 11 Módulo A7 GSM/GPS/GPRS
Elaborado por: mectronica.com Fuente: (Mactronica, s.f)
34
Cuadro 5 Especificaciones Técnicas Módulo A7 GSM/GPS/GPRS
Especificaciones Técnicas
Compatibilidad Arduino Uno
Arduino Mega
Bandas 850/900/1800/1900 MHz
Voltaje operativo 5 VDC
Corriente Máximo de 2A
Elaborado por: Lucy Anastacio– Marlon Barzola Fuente: (HeTPro, 2019)
Comandos AT
Son una serie de instrucciones que permiten a la telefonía móvil GSM establecer
una comunicación entre sus terminales con la finalidad de realizar llamadas, enviar
mensajes de textos, entre otras funcionalidades.
Los comandos AT tiene como principal finalidad la comunicación con módems, a
su vez, la telefonía móvil GSM adopto este estándar como lenguaje para la
comunicación entre sus terminales. Todos los teléfonos móviles GSM tienen
comandos AT que se encarga de una interfaz para configurar y dar instrucciones
a sus terminales. Estas instrucciones la podemos encontrar en una
documentación técnica de los terminales GSM, donde nos permitirá realizar
acciones como llamadas de datos o voz, leer, escribir y otras configuraciones del
terminal.
Sensor DHT21
Es definido como un sensor digital enfocado a medir la humedad relativa y
temperatura del airé el cual goza de una precisión detallada dentro de un
contenedor robusto. Está compuesto de un termistor, un sensor capacitivo de
humedad, y de un microcontrolador que se ocupa de efectuar la respectiva
conversión de señal analógica al tipo digital. Se recomienda proteger al sensor de
la radiación directa del sol mediante el uso de una pantalla de Stevenson.
35
Gráfico 12 Sensor de temperatura y humedad relativa DHT21
Elaborado por: Naylamp Mechatronics Fuente: (Naylamp Mechatronics, s.f)
Cuadro 6 Especificaciones técnicas Sensor DHT21
Especificaciones técnicas
Voltaje de Operación: 3.5V - 5.5V DC
Consumo corriente: 1mA - 1.5mA
Rango de Temperatura: -40 hasta 80°C
Precisión Temperatura: +- 0.5°C
Resolución Temperatura: 0.1°C
Rango de Humedad Relativa: 0 a 100% RH
Precisión HR: +- 3%
Resolución Humedad: 0.1%RH
Tiempo de sensado: 2s
Distancia máxima: 20m
Elaborado por: Lucy Anastacio – Marlon Barzola
Fuente: (Naylamp Mechatronics, s.f)
36
Sensor HC-SR04
Es un sensor que utiliza ondas ultrasónicas para determinar la distancia de un
objeto en un rango de 2 a 450 cm. Este módulo incorpora un emisor conocido
como pin trigger (TRIG) que envía una ráfaga ultrasónica y un receptor (pin
ECHO) que capta el rebote de la onda. El tiempo que la onda sonora tarde en
rebotar entre el objeto hasta el receptor puede utilizarse para determinar la
distancia que existe entre el sensor y el objeto. Este módulo se empleará para
medir el nivel de lluvia que se almacenará en un recipiente y así determinar la
precipitación. Para el cálculo de la distancia se hace uso de la siguiente fórmula:
Distancia(m) =(Tiempo del pulso ECO)(velocidad del sonido)
2
Gráfico 13 Funcionamiento del sensor HC-SR04
Elaborado por: GeekFactory Fuente: (Tutoriales Arduino, 2014)
Cuadro 7 Especificaciones técnicas del Sensor HC-SR04
Especificaciones técnicas
Tensión de alimentación: 5 Vcc
Frecuencia de trabajo 40 KHz
Rango máximo 4.5 m
Rango mínimo 1.7 cm
Elaborado por: Lucy Anastacio – Marlon Barzola Fuente: (Electronilab, s.f)
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Regulador de voltaje Step-Down LM2596S con Display
Según Herramientas Tecnológicas Profesionales:
“El circuito LM2596S es un circuito integrado de National Semiconductor que
provee la capacidad de regular o decrementar el voltaje de entrada del circuito
(boost, flyback, DC-DC). El integrado maneja un rango de operación de 3.5 a 40V
y el voltaje de salida es ajustable por el usuario vía potenciómetro de precisión.
En el display se puede observar el voltaje de salida de la tarjeta” (Herramientas
Tecnológicas Profesionales, 2019).
Este circuito nos ayudará a mantener un voltaje constante de 5.5V a la entrada del
microcontrolador Arduino Uno y así evitar que los demás componentes sufran
sobrecargas de tensión.
Gráfico 14 Regulador de Voltaje LM2596S
Elaborado por: Herramientas Tecnológicas Profesionales Fuente: (HETPRO, 2019)
Cuadro 8 Especificaciones técnicas LM2596S
Especificaciones técnicas
Rango de voltaje de salida 4 a 35 V
Corriente máxima de salida 3A
Eficiencia de conversión 92%
Temperatura de operación -40º a 85º C (hasta 10W)
Incremento de temperatura máximo 40º C
Regulación de carga y voltaje +- 0.5%
Elaborado por: Lucy Anastacio – Marlon Barzola Fuente: (HETPRO, 2019)
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Panel solar 18V 15W
Los paneles solares son dispositivos que aprovechan la energía solar para
generar electricidad los cuales pueden dividirse en dos grupos: paneles
fotovoltaicos y los colectores solares que se encargan de producir agua caliente
para uso doméstico. Mientras que los paneles solares fotovoltaicos convierten la
radiación solar en electricidad debido al efecto fotovoltaico que producen las
celdas de estos paneles, generando así campo eléctrico que producirá la debida
corriente eléctrica.
Gráfico 15 Panel solar fotovoltaico 18V 15W
Fuente: baggod.com Elaborado por: (Banggood, s.f)
Regulador solar CMP12-10A
Estos reguladores de carga son necesarios dentro de cualquier instalación solar,
actúan como corte de paso de energía y van instalados entre la batería y el panel
solar para controlar la carga y descarga de la misma.
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Gráfico 16 Regulador solar CMP12-10A
Elaborado por: Mrwatt Fuente: (MRWatt , 2019)
Cuadro 9 Especificaciones técnicas Regulador Solar CMP12-10A
Especificaciones técnicas
Tensión nominal 12-24 V
Corriente nominal 20ª
Temperatura de funcionamiento -10º - 60º C
Desconexión de bajo voltaje 10.7V/21.4V
Reconexión de bajo voltaje 12.5V/25.0V
Elaborado por: Lucy Anastacio – Marlon Barzola
Fuente: (MRWatt , 2019)
Batería recargable GEL 12V 7.0 Ah
Son baterías de GEL aquellas en las que se añade un compuesto de silicona al
electrolito haciendo que su tiempo de vida útil sea mayor a diferencia de otras.
Son capaces de soportar temperaturas elevadas y presentan buena resistencia a
las vibraciones o golpes, permitiendo que este tipo de baterías funcionen
perfectamente para instalaciones solares aisladas y así proveer energía suficiente
a la estación meteorológica.
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Gráfico 17 Batería de GEL 12V 7.0 Ah
Elaborado por: Seguridad Total Fuente: (Seguridad Total, s.f)
Caja estanca ip65
Para que todos los dispositivos electrónicos puedan estar a la intemperie será
necesario utilizar una caja plástica con protección a la radiación solar, estas cajas
son destinadas al sector industrial y capaces de soportar temperaturas desde -25º
hasta 40º C.
Gráfico 18 Caja estanca ip65
Elaborado por: Verelectrico Fuente: (Verelectrico, 2015)
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SOFTWARE UTILIZADO PARA LA PROGRAMACIÓN Y
CONFIGURACIÓN DEL PROYECTO
Arduino IDE
Arduino IDE es un entorno de desarrollo integrado (IDE) que se emplea para la
programación de cualquier placa Arduino que toma las bases del entorno
Processing y el lenguaje de programación Wiring.
Gráfico 19 Arduino IDE
Elaborado por: Lucy Anastacio – Marlon Barzola Fuente: (Lucy Anastacio – Marlon Barzola, 2019)
Raspbian
Para comenzar a trabajar con el ordenador de placa reducida Raspberry es
necesario instalar su sistema operativo. Raspbian es definido como un sistema
operativo de código abierto, que surge de Debian, pero de forma optimizada
enfocado para trabajar en el Raspberry Pi. El término sistema operativo indica a
un grupo de herramientas y programas básicos que hacen posible que pueda
ejecutarse el Raspberry Pi. Pero, Raspbian brinda no solo un sistema operativo,
sino también un conjunto de 35000 paquetes, un software previamente compilado
con un formato que hace sencilla y agradable su instalación en el definido
Raspberry Pi.
42
Gráfico 20 Logotipo Raspbian
Elaborado por: Raspberry Pi Foundation Fuente: (Raspberry Pi Foundation, 2019)
Patrón Modelo – Vista – Controlador
El Modelo – Vista – Controlador es un esquema de arquitectura de software que
nos permite desarrollar aplicaciones web complejas de una manera ordenada y
que cualquier desarrollador será capaz de adaptarse cuando requiera dar
mantenimiento a una aplicación. Sirve para separar toda lógica del negocio del
sitio o aplicación web de la interfaz de usuario evitando así el denominado “código
espagueti”.
Este esquema se divide en tres niveles de abstracción:
1) Modelo: Es la parte lógica del negocio que se encarga de interactuar
directamente con la base de datos.
2) Vista: Es la parte que se mostrará al usuario final y con la que podrá
interactuar visualmente.
3) Controlador: Es el intermediario entre la vista y el modelo. Se encarga de
redireccionar las peticiones del usuario hacia el modelo y retornar los
resultados nuevamente hacia la vista.
Para poder implementar este esquema de desarrollo se deben crear directorios
con una estructura similar a la siguiente:
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Gráfico 21 ¿Qué es el MVC?
Elaborado por: Víctor Robles Fuente: (Robles, 2019)
El siguiente gráfico muestra claramente el funcionamiento del esquema MVC:
Gráfico 22 Esquema general MVC
Elaborado por: PHPZAG Team Fuente: (PHPZAG Team, 2017)
PHP
Para la programación del servidor hemos optado por utilizar PHP debido a su
amplia versatilidad y curva de aprendizaje sencilla.
PHP o Hypertext Preprocessor es un lenguaje de programación de código abierto
que es actualmente uno de los más populares dentro del desarrollo web debido a
su fácil aprendizaje y por su capacidad de poder ser combinado con en el lenguaje
de marcado HTML.
44
Gráfico 23 Sintaxis PHP
Elaborado por: php.net Fuente: (PHP, 2001)
MySQL
MySQL es el sistema de gestión de base de datos relacionales de código abierto
más popular en la actualidad. Oracle Corporation afirma:
“Una base de datos es una colección estructurada de datos. Puede ser
cualquier cosa, desde una simple lista de compras hasta una galería de imágenes
o la gran cantidad de información en una red corporativa. Para agregar, acceder
y procesar datos almacenados en una base de datos de computadora, necesita
un sistema de administración de base de datos como MySQL Server”. (Oracle
Corporation, 2019)
Gráfico 24 Creación de Cuadro en MySQL
Elaborado por: byspel.com Fuente: (Byspel, 2018)
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El sistema de base de datos MySQL puede ejecutarse en casi todos los sistemas
operativos, como Linux, UNIX y Windows. MySQL es capaz de asociarse con más
aplicaciones elaboradas en la web y publicaciones en línea, se trata de un
implemento importante de código abierto llamado LAMP. Las actualizaciones que
ha obtenido MySQL han favorecido a desarrolladores y se ha convertido en una
de las herramientas más usadas.
PhPMyAdmin
Es una herramienta Open Source desarrollada con el lenguaje de programación
PHP , capaz de manejar sentencias SQL a través de la Web. phpMyAdmin. Esta
herramienta soporta varias operaciones de consultas en MySQL y MariaDB. Las
operaciones que se realizan con frecuencia con esta aplicación son: gestión de
bases de datos, Cuadros, columnas, etc. Estas operaciones pueden ser realizadas
a través de la interfaz de usuario.
Gráfico 25 Interfaz de phpMyAdmin
Elaborado por: phpmyadmin.net Fuente: (phpMyAdmin, 2019)
46
FUNDAMENTACIÓN LEGAL
El desarrollo del presente trabajo de titulación se basa y ampara en las siguientes
leyes establecidas por la Constitución de la República del Ecuador:
Según la Constitución de la República del Ecuador
Sección octava
Ciencia, tecnología, innovación y saberes ancestrales
Art. 385.- El sistema nacional de ciencia, tecnología, innovación y saberes
ancestrales, en el marco del respeto al ambiente, la naturaleza, la vida, las culturas
y la soberanía, tendrá como finalidad:
1. Generar, adaptar y difundir conocimientos científicos y tecnológicos.
2. Recuperar, fortalecer y potenciar los saberes ancestrales.
3. Desarrollar tecnologías e innovaciones que impulsen la producción
nacional, eleven la eficiencia y productividad, mejoren la calidad de vida y
contribuyan a la realización del buen vivir.
Art. 387.- Será responsabilidad del Estado:
1. Facilitar e impulsar la incorporación a la sociedad del conocimiento para
alcanzar los objetivos del régimen de desarrollo.
2. Promover la generación y producción de conocimiento, fomentar la
investigación científica y tecnológica, y potenciar los saberes ancestrales,
para así contribuir a la realización del buen vivir, al sumak kawsay.
3. Asegurar la difusión y el acceso a los conocimientos científicos y
tecnológicos, el usufructo de sus descubrimientos y hallazgos en el marco
de lo establecido en la Constitución y la Ley
4. Garantizar la libertad de creación e investigación en el marco del respeto
a la ética, la naturaleza, el ambiente, y el rescate de los conocimientos
ancestrales.
5. Reconocer la condición de investigador de acuerdo con la Ley.
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Según la Ley Orgánica de Telecomunicaciones
Título II
Redes y prestación de servicios de telecomunicaciones
Art. 9.- Redes de telecomunicaciones.
Se entiende por redes de telecomunicaciones a los sistemas y demás recursos
que permitan la transmisión, emisión y recepción de voz, vídeo, datos o cualquier
tipo de señales, mediante medios físicos o inalámbricos, con independencia del
contenido o información cursada.
El establecimiento o despliegue de una red comprende la construcción, instalación
e integración de los elementos activos y pasivos y todas las actividades hasta que
la misma se vuelva operativa.
Art. 10.- Redes públicas de telecomunicaciones.
Toda red de la que dependa la prestación de un servicio público de
telecomunicaciones; o sea utilizada para soportar servicios a terceros será
considerada una red pública y será accesible a los prestadores de servicios de
telecomunicaciones que la requieran, en los términos y condiciones que se
establecen en esta Ley, su reglamento general de aplicación y normativa que
emita la Agencia de Regulación y Control de las Telecomunicaciones.
Art. 12.- Convergencia.
El Estado impulsará el establecimiento y explotación de redes y la prestación de
servicios de telecomunicaciones que promuevan la convergencia de servicios, de
conformidad con el interés público y lo dispuesto en la presente Ley y sus
reglamentos. La Agencia de Regulación y Control de las Telecomunicaciones
emitirá reglamentos y normas que permitan la prestación de diversos servicios
sobre una misma red e impulsen de manera efectiva la convergencia de servicios
y favorezcan el desarrollo tecnológico del país, bajo el principio de neutralidad
tecnológica.
48
Título VIII
Secreto de las comunicaciones y protección de datos personales
Capítulo I
Secreto de las comunicaciones
Art. 76.- Medidas técnicas de seguridad e invulnerabilidad
Las y los prestadores de servicios ya sea que usen una red propia o la de un
tercero, deberán adoptar las medidas técnicas y de gestión adecuadas para
preservar la seguridad de sus servicios y la invulnerabilidad de la red y garantizar
el secreto de las comunicaciones y de la información transmitida por sus redes.
Dichas medidas garantizarán un nivel de seguridad adecuado al riesgo existente.
En caso de que exista un riesgo particular de violación de la seguridad de la red,
el prestador de servicios de telecomunicaciones deberá informar a sus abonados,
clientes o usuarios sobre dicho riesgo y, si las medidas para atenuar o eliminar
ese riesgo no están bajo su control, sobre las posibles soluciones.
Según el decreto 1014 Software Libre en Ecuador
Art. 2.- Se entiende por Software Libre, a los programas de computación que se
pueden utilizar y distribuir sin restricción alguna, que permitan su acceso a los
códigos fuentes y que sus aplicaciones puedan ser mejoradas.
Estos programas de computación tienen las siguientes libertades:
a) Utilización del programa con cualquier propósito de uso común.
b) Distribución de copias sin restricción alguna.
c) Estudio y modificación del programa (Requisito: código fuente disponible).
d) Publicación del programa mejorado (Requisito: código fuente disponible).
Art. 4.- Se faculta la utilización de software propietario (no libre) únicamente
cuando no exista solución de Software Libre que supla las necesidades requeridas,
o cuando esté en riesgo la seguridad nacional, o cuando el proyecto informático
se encuentre en un punto de no retorno.
49
Para efectos de este decreto se comprende como seguridad nacional, las
garantías para la supervivencia de la colectividad y la defensa del patrimonio
nacional.
Para efectos de este decreto se entiende por un punto de no retorno, cuando el
sistema o proyecto informático se encuentre en cualquiera de estas condiciones:
a) Sistema en producción funcionando satisfactoriamente y que un análisis de
costo beneficio muestre que no es razonable ni conveniente una migración a
Software Libre.
b) Proyecto en estado de desarrollo y que un análisis de costo – beneficio muestre
que no es conveniente modificar el proyecto y utilizar Software Libre.
Periódicamente se evaluarán los sistemas informáticos que utilizan software
propietario con la finalidad de migrarlos a Software Libre.
Art. 5.- Tanto para software libre como software propietario, siempre y cuando se
satisfagan los requerimientos, se debe preferir las soluciones en este orden:
a) Nacionales que permitan autonomía y soberanía tecnológica.
b) Regionales con componente nacional.
c) Regionales con proveedores nacionales.
d) Internacionales con componente nacional.
e) Internacionales con proveedores nacionales.
f) Internacionales.
PREGUNTA CIENTÍFICA
¿Resulta favorable para la Facultad de Ciencias Naturales de la Universidad de
Guayaquil disponer de una estación meteorológica que genere datos en tiempo
real con un historial de información de las variables climáticas: temperatura,
humedad y precipitación?
La Facultad de Ciencias Naturales al disponer de una estación meteorológica, los
docentes y estudiantes podrán desarrollar proyectos de invernaderos en zonas
rurales, planes de gestión de riesgo e incluso realizar investigaciones con mayor
50
rapidez en sus temas de titulación puesto que la información generada por la
estación meteorológica será accesible en cualquier momento que deseen.
DEFINICIONES CONCEPTUALES
En esta sección detallaremos los términos básicos de nuestro caso de estudio:
Clima: Es un estado promedio en el que se encuentra el tiempo, o de forma
específica, como una representación del tiempo en entorno estadístico,
considerando definiciones tales como la variabilidad de cantidades establecidas y
valores promedios que se presenten en lapsos temporales, ya sean meses o
llegando incluso a millones de años.
Atmósfera: “Capa gaseosa que rodea al planeta Tierra, se divide teóricamente
en varias capas concéntricas sucesivas. Estas son, desde la superficie hacia el
espacio exterior: tropósfera, tropopausa, estratósfera, estratopausa, mesósfera y
termósfera.” (CIIFEN, 2017).
Meteorología: Es la ciencia que estudia lo relacionado a la atmósfera, ya sean
los fenómenos que se presentan (o meteoros) o sus respectivas propiedades.
Para estudiar la atmósfera es necesario conocer las variables meteorológicas o
una serie de magnitudes como, por ejemplo: la humedad, la presión atmosférica
o la temperatura, que pueden cambiar dependiendo del tiempo y el espacio.
Climatología: “La climatología consiste en el estudio del clima, sus variaciones y
extremos y su influencia en varias actividades, sobre todo (aunque no
exclusivamente) en los ámbitos de la salud, la seguridad y el bienestar humano”
(Organización Meteorológica Mundial, 2011).
Temperatura: Es una magnitud que tiene relación con la velocidad del movimiento
que realizan todas las partículas que conforman a la materia. A mayor agitación
presentada, la temperatura será mayor.
Humedad relativa: Es definida como la relación existente entre la tensión de
vapor actual, representada en porcentaje y la máxima mostrada en una
51
determinada temperatura. Se dice que cuando la humedad relativa se encuentra
en 100%, el aire está saturado.
Precipitación: “La precipitación es todo tipo de agua meteórica que cae en la
superficie de la tierra, tanto en forma líquida (llovizna, lluvia, etc.) y sólida (nieve,
granizo, etc.) y las precipitaciones ocultas (rocío, la helada blanca, etc.). Ellas son
provocadas por un cambio de la temperatura o de la presión. La precipitación
constituye la única entrada principal al sistema hidrológico continental” (Musy,
2005).
Estación meteorológica: “Es el lugar en el cual se realizan observaciones y
mediciones de elementos meteorológicos: temperatura del aire y del suelo,
humedad del aire, viento, radiación solar, evaporación y precipitación. La
Organización Meteorológica Mundial recomienda que se instalen en sitios
representativos de las condiciones del clima y del suelo” (Instituto Nacional de
Investigaciones Agrícolas, 2017).
Estación meteorológica automática: “Están basadas en instrumentos
electrónicos, con registro en memoria sólida. Está constituida por instrumentos
electrónicos o sensores, donde el parámetro meteorológico es convertido en una
señal eléctrica. La señal eléctrica es convertida a un código binario y almacenado
en memoria de estado sólido”. (Instituto Nacional de Investigaciones Agrícolas,
2017).
Open Source: “El término código abierto se refiere a algo que las personas
pueden modificar y compartir porque su diseño es de acceso público” (Red Hat,
Inc., 2019).
Microcontrolador: Es definido como un circuito integrado que tiene en su interior
los componentes que conforman un computador el cual puede ser programado.
Su función es gestionar y tener un control de las actividades realizadas por una
tarea específica.
Arduino: “Arduino es una plataforma de hardware de código abierto, basada en
una sencilla placa de circuito impreso que contiene un microcontrolador de la
marca “ATMEL” que cuenta con entradas y salidas, analógicas y digitales, en un
52
entorno de desarrollo que está basado en el lenguaje de programación processing”
(Tapia Ayala & Manzano Yupa, 2013).
Sensor: Es un dispositivo de tipo mecánico y/o electrónico capaz de realizar una
detección de estímulos (químicos o físicos) o acciones que se presenten, y otorgar
un valor que puede ser medido para definir las magnitudes eléctricas.
GPRS: “Es una tecnología de comunicaciones móviles 2.5G que permite a los
proveedores de servicios inalámbricos móviles ofrecer a sus suscriptores móviles
servicios de datos basados en paquetes a través de redes GSM. Las aplicaciones
comunes de GPRS incluyen lo siguiente: acceso a Internet, acceso a la intranet /
empresa, mensajería instantánea y mensajería multimedia”. (cisco, s.f).
53
CAPÍTULO III
PROPUESTA TECNOLÓGICA
En esta sección se detallará la factibilidad total del proyecto y un análisis
estadístico que mostrará el nivel de aceptación de nuestro producto por parte de
los estudiantes de la Facultad de Ciencias Naturales en la carrera de Ingeniería
Ambiental.
ANÁLISIS DE FACTIBILIDAD
La construcción de la estación meteorológica que hemos presentado ha sido
diseñada y construida de tal manera que sea escalable a largo plazo permitiendo
implementar otro tipo de sensores para medir distintos parámetros ambientales.
La propuesta actual se desarrolló con la finalidad de ayudar a los docentes y
estudiantes de la Facultad de Ciencias Naturales para que tengan un mejor control
de las variables meteorológicas de temperatura, humedad relativa y precipitación,
de esta manera ellos podrán optimizar sus investigaciones académicas o para
cualquier tipo de proyecto en general que se efectúe dentro de la facultad.
Ventajas del sistema
• Los estudiantes podrán consultar los datos que genere la estación en
cualquier momento del día.
• El proyecto es escalable, por lo que pueden ser implementados otro tipo
de sensores para medir variables como: velocidad del viento, dirección del
viento, presión atmosférica, etc.
• Los costos de implementación han sido reducidos significativamente
gracias al uso de las herramientas Open Source.
54
FACTIBILIDAD OPERACIONAL
Gracias al director de la Carrera de Ingeniería Ambiental Ing. Vinicio Xavier Macas
Espinosa M.Sc., se nos permitió desarrollar el presente trabajo de titulación para
la Facultad de Ciencias Naturales.
Como se mencionó antes, el proyecto tiene una visión de crecimiento a futuro,
mientras tanto, para acceder a la información que genera actualmente la estación
meteorológica se desarrolló una aplicación web amigable que permite visualizar
los datos a través de gráficas en tiempo real y por orden cronológico.
FACTIBILIDAD TÉCNICA
El desarrollo de la estación meteorológica se puede dividir en cuatro fases para
su construcción y funcionamiento: la adquisición de los componentes electrónicos,
ensamblaje de los dispositivos, programación de los microcontroladores y
finalmente el desarrollo del aplicativo web para visualizar la información.
A continuación, se muestra un diagrama general del funcionamiento de la estación
meteorológica:
Gráfico 26 Esquema de funcionamiento general
Elaborado por: Anastacio Lucy – Marlon Barzola Fuente: Datos de la investigación
55
Como se observa en el gráfico 26 el usuario se conectará a la dirección
http://186.3.157.83:8090/tesis desde cualquier navegador y se deberá identificar
con las credenciales que hemos creado para el sistema. Una vez iniciada la sesión,
el usuario podrá visualizar mediante graficas en tiempo real las variables
ambientales de temperatura, humedad relativa y precipitación que serán
generadas por la estación meteorológica, dichas variables se envían al servidor
Raspberry mediante un enlace de comunicación GPRS configurado en el módulo
GPRS A7 que contiene la estación meteorológica. En la página web además se
mostrará una sección exclusiva para poder visualizar el historial de esta
información.
Fase 1: Adquisición de los componentes electrónicos
El Cuadro 10 menciona los componentes requeridos para la construcción del
sistema meteorológico considerando que los microcontroladores son
componentes que emplean tecnología Open Source y que están disponibles en
nuestro país Ecuador ayudándonos a reducir sus costos de adquisición:
Cuadro 10 Componentes necesarios para la implementación de la estación
meteorológica.
Dispositivo Voltaje operativo Cantidad
Arduino Uno 5 – 12 V DC 1
Módulo
GSM/GPS/GPRS A7
5 V DC 1
Regulador de voltaje
LM2596S
4 – 35 V DC 1
Sensor temperatura y
humedad DHT21
3.5 – 5.5 VDC 1
Sensor Ultrasónico HC-
SR04
5 V DC 1
Batería 12V 2ah 12-24V 1
Regulador solar 12-24V 1
Panel Solar 15W 18V 1
Elaborado por: Lucy Anastacio – Marlon Barzola Fuente: Datos de la investigación
56
Para el caso del servidor web se optó por adquirir un ordenador de tamaño
reducido conocido como Raspberry Pi en el cual estará alojada la página web con
su respectiva base de datos. El servidor adicionalmente necesita una memoria
microSD con una capacidad mínima de 4GB para poder instalar el sistema
operativo Raspbian; para que el servidor disponga de capacidad suficiente de
almacenamiento se vio necesaria la implementación de una memoria USB de 32
GB que será suficiente para que la base de datos tenga libertad de crecimiento.
Fase 2: Ensamblaje de los dispositivos
Una vez adquiridos los componentes necesarios para el proyecto, procedimos a
realizar el ensamblado necesario que se detalla en el siguiente gráfico:
Gráfico 27 Conexión solar y comunicación entre Arduino Uno y el módulo A7
Elaborado por: Lucy Anastacio – Marlon Barzola Fuente: Datos de la investigación
57
Antes de empezar a trabajar con estos módulos tenemos que tener en cuenta que
el microcontrolador Arduino Uno trabaja con comunicación serial. Para establecer
esta conexión con el módulo GPRS, se observa en el gráfico anterior que se
requirió configurar el PIN 7 del Arduino como receptor, mientras que el PIN 8 será
utilizado como emisor de los comandos AT hacia el módulo A7.
Cuadro 11 Conexión de puertos serie entre Arduino Uno y el módulo A7
Arduino Uno Módulo A7
PIN 7 Rx V_TXD
PIN 8 Tx V_RXD
Elaborado por: Lucy Anastacio – Marlon Barzola
Fuente: Datos de la investigación
Para mantener a todos los equipos funcionando se realizó una instalación solar,
para ello se optó por utilizar un panel solar de 18V 15W y así proveer de energía
suficiente a la batería de 12V 7ah, sin embargo, los microcontroladores y los
sensores al trabajar en un rango de 5.5 a 12 VDC, se instaló un regulador de
voltaje LM2596S capaz de soportar entre 4 a 35V y darnos a la salida un voltaje
constante regulado de 5.5VDC, de esta manera, cuando la batería se encuentre
en su carga máxima la estación meteorológica podrá seguir funcionando durante
2 días consecutivos sin la necesidad de que se recargue la batería con el sistema
de alimentación solar.
Conexión entre Arduino Uno y los sensores
Conexión del sensor DHT21
El gráfico 28 detalla cómo se realizaron las conexiones de los sensores DHT21 y
el ultrasónico HC-SR04. El PIN digital 2 del Arduino Uno será el encargado de
enviar los pulsos digitales comunicándose con el sensor mediante el protocolo
Single Bus enviando 40 datos de 5 octetos donde los 2 primeros representarán la
humedad relativa alta y baja, los siguientes 2 octetos representan la temperatura
alta y baja y el ultimo representa un bit de paridad que indica la sumatoria de los
58
4 octetos mencionados anteriormente y que los datos han sido enviados
correctamente al microcontrolador.
Gráfico 28 Conexión entre Arduino Uno y los sensores
Elaborado por: Lucy Anastacio – Marlon Barzola Fuente: Datos de la investigación
Ejemplo de cálculo de datos DHT21:
40 datos recibidos:
0000 0010 | 1001 0010 | 0000 0001 | 0000 1101 | 1010 0010
Alta humedad | Baja humedad | Alta temperatura | Baja temperatura |8 bits de
paridad
Cálculo:
0000 0010 + 1001 0010 +0000 0001 + 0000 1101 = 1010 0010 (bit de paridad)
Datos recibidos correctamente:
Humedad: 0000 0010 1001 0010 = 0292H (Hexadecimal) = 2 × 256 + 9 x 16 + 2 =
658 => Humedad = 65,8% RH
59
Temperatura: 0000 0001 0000 1101 = 10DH (Hexadecimal) = 1 × 256 + 0 × 16 +
13 = 269 => Temperatura. = 26,9 ℃
Conexión del sensor HC-SR04
Para el sensor ultrasónico HC-SR04 se configuró el PIN TRIG a la entrada del PIN
10 del Arduino el cuál suministrará un pequeño pulso eléctrico binario (TTL) de
10uS generando una ráfaga de ultrasonidos de 8 ciclos a 40 KHz, cuando la señal
viaje hasta la base del recipiente de agua, el PIN ECHO conectado al PIN 11 del
Arduino recibirá la señal emitida y dependiendo del tiempo que tarde en reflejarse
la onda determinará la altura del nivel del agua. El rango del sensor ultrasónico
proporciona una función de medición sin contacto de 2 cm - 400 cm, sin embargo,
la precisión del rango puede alcanzar hasta 3 mm. El siguiente gráfico muestra un
diagrama de como el PIN TRIGGER recibe un pulso binario para generar la onda
ultrasónica.
Gráfico 29 Diagrama de tiempo del sensor HC-SR04
Elaborado por: Elecfreaks.com Fuente: (https://cdn.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Proximity/HCSR04.pdf)
Fase 3: Programación de los microcontroladores y sensores
En esta etapa requerimos el uso del entorno de desarrollo Arduino IDE para poder
programar el microcontrolador con sus respectivos sensores y el módulo GPRS
A7. Para el desarrollo de este proyecto, como se ha venido mencionando, el
60
microcontrolador empleado es el Arduino Uno, por lo que en el IDE debemos
escoger la placa que se ajuste al modelo.
Gráfico 30 Placa del microcontrolador a programar
Elaborado por: Lucy Anastacio – Marlon Barzola Fuente: Datos de la investigación
Comunicación GPRS
Los comandos que se muestra a continuación fueron requeridos para establecer
el envío de información mediante GPRS al servidor Raspberry:
Cuadro 12 Comandos AT utilizados para la comunicación entre la estación y el
servidor
Comandos AT Descripción
SendData("AT+CREG?",2000,S1debug) Comprueba la conexión
a la red.
SendData("AT+CGATT=1",2000,S1debug); Conectamos a la red
GPRS.
SendData("AT+CGDCONT=1,\"IP\",\"CMNET\"",
2000,S1debug);
Establecen los
parámetros de contexto
PDP, como el tipo PDP
(IP, IPV6, PPP, X.25,
etc.)
SendData("AT+CGACT=1,1",2000,S1debug); Activa el contexto PDP
61
SendData("AT+CIPSTART=\"TCP\",\"186.3.157.83\",
8090",2000,S1debug);
Indicamos el tipo de
conexión, dirección IP y
puerto al que
realizamos la conexión.
SendData("AT+CIPSEND=10",2000,S1debug); Preparamos el envío de
datos.
Elaborado por: Lucy Anastacio – Marlon Barzola Fuente: (promotec, s.f)
Circuitería final de la estación meteorológica
El siguiente gráfico muestra el resultado final de las interconexiones realizadas en
el presente proyecto.
Gráfico 31 Componentes electrónicos interconectados
Elaborado por: Lucy Anastacio – Marlon Barzola Fuente: Datos de la investigación
62
Programación de sensores
DHT21
En el microcontrolador Arduino Uno se estableció el PIN 2 digital para la conexión
del sensor DHT21. Para recolectar la información de este sensor se emplearon
las librerías “Adafruit_Sensor.h” y “DHT.h” lo que nos permite trabajar de una
manera muy cómoda con este dispositivo, de esta manera podemos mostrar los
datos con las siguientes funciones:
dht.temperature().getSensor(&sensor); //Salida de los datos de temperatura
dht.humidity().getSensor(&sensor); //Salida de los datos de humedad relativa.
HC-SR04
Para el cálculo de la medida del nivel de agua se usó la siguiente programación:
long Distancia_mm = fDistancia(Duración); //llama a la función fDistancia
DistanceCalc = 123 - ((tiempo /2.9) / 2);
long fDistancia(long tiempo) {
long DistanceCalc; // Variable para los cálculos
DistanceCalc = 123 - ((tiempo /2.9) / 2); // Cálculos en milímetros y le restamos
el tamaño del recipiente en milímetros para obtener el total de agua
}
63
Fase 4: Programación de la página web
Script para la inserción en la base de datos
Para el almacenamiento de información en el servidor de base de datos, se
programó un script en PHP bajo el patrón modelo – vista – controlador.
El gráfico 32 muestra la programación para la inserción a la base de datos. El
microcontrolador Arduino envía los valores de temperatura, humedad y
precipitación mediante una petición GET al servidor en intervalos de 1 minuto por
día según los requerimientos designados por la Facultad de Ciencias Naturales:
Gráfico 32 Script para la inserción en la base de datos
Elaborado por: Lucy Anastacio – Marlon Barzola Fuente: Datos de la investigación
Pruebas de funcionamiento del sistema
Para comprobar que la inserción a la base de datos se realiza de manera exitosa
es necesario disponer del software Arduino IDE, y al escoger la opción de
Herramientas – Monitor Serie, se observarán los resultados como se muestran a
continuación:
64
Gráfico 33 Envío de información vía GPRS hacia el servidor
Elaborado por: Anastacio Lucy – Marlon Barzola Fuente: Datos de la investigación
Resultados a través de la página web
El usuario se conectará a la dirección http://186.3.157.83:8090/tesis desde
cualquier navegador y se deberá identificar con las credenciales que hemos
creado para el sistema. Una vez dentro, se podrá visualizar mediante graficas en
tiempo real las variables ambientales de temperatura, humedad relativa y
precipitación que serán generadas por la estación meteorológica; dichas variables
se envían al servidor Raspberry mediante un enlace de comunicación GPRS
configurado con el módulo GSM/GPRS A7 que contiene la estación meteorológica.
En la página web además se mostrará una sección exclusiva para consultar el
historial de esta información.
En el menú de navegación el usuario podrá escoger las variables que desee
visualizar como se muestra a continuación:
65
Gráfico 34 Menú del sitio web
Elaborado por: Anastacio Lucy – Marlon Barzola Fuente: Datos de la investigación
En la sección de Historial habrá un formulario que permitirá ingresar al usuario la
fecha y hora que desee consultar para visualizar las variables de temperatura,
humedad relativa o precipitación.
Gráfico 35 Consulta de historial
Elaborado por: Anastacio Lucy – Marlon Barzola Fuente: Datos de la investigación
66
Los resultados que se muestran en el siguiente grafico corresponden a los datos
obtenidos en las fechas desde el 27 al 28 de agosto del 2019 con muestras
recolectadas en intervalos de 1 minuto durante todo el día.
Gráfico 36 Resultados mediante el historial de datos
Elaborado por: Anastacio Lucy – Marlon Barzola Fuente: Datos de la investigación
Con respecto a los gráficos en tiempo real, estos muestran en el eje X la fecha y
hora en que la estación meteorológica está tomando las muestras de las variables
ambientales, mientras que en el eje Y se observa la temperatura, humedad relativa
o precipitación relacionada con el factor fecha / hora.
67
Gráfico 37 Muestras recolectadas por la estación
Elaborado por: Anastacio Lucy – Marlon Barzola Fuente: Datos de la investigación
Comparación de datos de temperatura
Se realizó una comparación de datos de temperatura entre la información
generada por la estación meteorológica del presente proyecto y los reportes
diarios que ofrece el INAMHI a través de su portal web. Como resultado final, se
observa en los siguientes gráficos que hay un margen de error de ±1.4oC tomando
como referencia la temperatura máxima de la estación meteorológica ubicada en
la Facultad de Ciencias Naturales.
68
Gráfico 38 Reporte diario del INAMHI
Elaborado por: INAMHI Fuente: (INAMHI, 2019)
Gráfico 39 Reporte generado por el proyecto estación meteorológica
Elaborado por: Anastacio Lucy – Marlon Barzola
Fuente: Datos de la investigación
Tmax(32)
69
FACTIBILIDAD LEGAL
El presente trabajo de titulación se desarrolló cumpliendo las respectivas leyes de
La Constitución de la República del Ecuador, de igual forma como se mostró en la
parte de la Fundamentación legal, donde se efectuó un desglose más detallado
de las leyes que posibilitan y motivan la implementación de conocimientos
científicos y tecnológicos, teniendo en cuenta que varias de estas incluso
representan de manera relevante algunas de las cualidades y funciones en la que
está destinado este proyecto, ya sea la utilización de métodos para fomentar la
búsqueda de información científica y el uso de software libre, lo que es beneficioso
y mejora en gran medida la información y calidad de la misma.
La factibilidad legal por parte del software y hardware se rige y cumple con todas
las normativas exigidas y fundamentales para no cometer ninguna infracción a la
ley, ya que las herramientas utilizadas en este trabajo son de plataforma Open
Source.
FACTIBILIDAD ECONÓMICA
La implementación de la estación meteorológica propuesta en este trabajo resulta
económica en comparación a las grandes estaciones que existen actualmente en
el mercado. El siguiente cuadro refleja los precios que una estación meteorológica
automática puede alcanzar dependiendo de su marca y el tipo de variables a medir
de acuerdo con las necesidades:
Cuadro 13 Precio de estaciones meteorológicas automáticas en el mercado
Modelo Precio
Estación meteorológica BÁSICA
Estación meteorológica WatchDog
900ET + Sensores básicos
(3350WD2) + Trípode (3396TP) +
Software completo Spec9Pro
$4041,22
Estación meteorológica para
humedad del suelo
Todo lo que incluye la estación básica
$4437,01
70
+ 2 sensores de Humedad de Suelo
(6460)
+ 1 sensor de Temperatura del suelo
Estación meteorológica para riego
Todo lo que incluye la estación básica
+ 2 sensores de Humedad de Suelo
(6460)
+ 1 sensor de Riego (6451)
$4767,73
Elaborado por: Lucy Anastacio – Marlon Barzola Fuente: (infoagro, s.f)
Para el caso del sistema meteorológico implementado en este trabajo, los costos
mostrados en el cuadro anterior se vieron reducidos de manera significativa, esto
se debe a que todos los materiales adquiridos para su construcción pueden ser
adquiridos a nivel nacional; los microcontroladores empleados utilizan tecnología
Open Source, siendo una opción más económica para su adquisición. El siguiente
cuadro muestra los precios de cada uno de los elementos utilizados para la
construcción del sistema meteorológico propuesto:
Cuadro 14 Presupuesto de la estación meteorológica
Dispositivo Modelo Voltaje
operativo
Cantidad Precio
unitario
Precio
Arduino Uno 5.5V 1 $10 $10
Modulo
GSM/GPS/GPRS
A7 5.5V 1 $28 $28
Raspberry Pi Zero 3.3V 1 $30 $30
Sensor
temperatura y
humedad
DHT21 3.3 – 5.5
V
1 $21 $21
Sensor
Ultrasónico
HC-SR04 5V 1 $2,50 $2,50
Regulador de
voltaje
LM2596S 4 – 35V 1 $15 $15
71
Batería Gel 12V 1 $13 $13
Regulador Solar CMP12-10A 12-24V 1 $22,77 $22,77
Panel Solar Poly 18V 1 $22,32 $22,32
Caja plástica Ip65 ------------- 1 $10,50 $10,50
Pantalla de
Stevenson
Impresión
3D
------------- 1 $123,50 123,50
Cable de parlante No16 5.5V 6 metros $0,50 $3
Cable eléctrico
flexible
Número 10 12V 2 metros $0,70 $1,40
Estructura Acero
Inoxidable
-------------- ------------- ------------ $50
Mano de obra ----------- -------------- 2 $70 $140
TOTAL $492,99
Elaborado por: Lucy Anastacio – Marlon Barzola Fuente: Datos de la investigación
ETAPAS DE LA METODOLOGÍA DEL PROYECTO
Como se mencionó en el capítulo I, la metodología aplicada para este proyecto
es la denominada PPDIOO.
• Preparar: En esta fase se identificó las necesidades que presenta la
Facultad de Ingeniería Ambiental, debido a las reuniones previas
realizadas al desarrollo de este trabajo junto al director de la carrera Vinicio
Macas para detectar los problemas explicados en el Capítulo I.
• Planear: Una vez identificado el problema, se analizó que variables
ambientales necesitaban para solucionar los problemas. Se llegó a la
conclusión que primordialmente requerían de valores de temperatura,
humedad relativa y precipitación, sin embargo, el proyecto se desarrolló
con una visión a futuro y poder seguir incrementando estas variables a
largo plazo.
• Diseñar: Se procedió a realizar un análisis para seleccionar los
componentes y herramientas necesarias que cumplirían nuestros objetivos
72
y los de la Facultad. Como resultado se obtuvo un diseño de estación
meteorológica acorde a los requerimientos de la institución.
• Implementar: Terminada la fase de diseño, se implementaron los
conocimientos adquiridos en nuestra formación académica y se logró
desarrollar una estación meteorológica automática.
• Operar: Se puso en funcionamiento la estación meteorológica en la
Facultad de Ciencias Naturales con un periodo de prueba de dos semanas,
los criterios de aceptación del producto se mostrarán en el capítulo IV.
• Optimizar: Se comprobó que los resultados generados por la estación
meteorológica se estén almacenando en la base de datos y que los
sensores cumplan su función. Los resultados se mostraron en la página
web desarrollada para la facultad mediante un historial de datos y reportes
diarios en tiempo real.
ENTREGABLES DEL PROYECTO
Al finalizar este proyecto se hará entrega de los siguientes tópicos para la Facultad
de Ingeniería Ambiental:
• Diseño de la estación meteorológica.
• Estación meteorológica automática construida con herramientas Open
Source.
• Código fuente de los microcontroladores (anexo 2).
• Código fuente de la página web.
• Servidor Raspberry Pi Zero.
• Manual técnico (anexo 12).
CRITERIOS DE VALIDACIÓN DE LA PROPUESTA
Para la validación del presente proyecto se realizó una encuesta dirigida a los
estudiantes de la carrera de Ingeniería Ambiental en la Facultad de Ciencias
Naturales de la Universidad de Guayaquil con un tamaño de población de 285
estudiantes matriculados actualmente en la carrera. Esta población se conoce
como población finita debido a que posee un número limitado de total de
elementos.
73
De un total de 285 estudiantes matriculados actualmente en la carrera de
Ingeniería Ambiental, se procede a realizar el cálculo para obtener la muestra que
validará nuestro proyecto con la siguiente fórmula:
𝑛 =𝑁 ∗ 𝑍α
2 ∗ 𝑝 ∗ 𝑞
𝑒2 ∗ (𝑁 − 1) + 𝑍α2 ∗ 𝑝 ∗ 𝑞
Donde:
• n = Tamaño de la muestra
• N = Tamaño de la población
• Zα = Constante que depende del nivel de confianza que se asigne
• e = Margen de error expresado en decimales
• p = Probabilidad de éxito
• q = Probabilidad de que no ocurra el evento
Los valores más utilizados para el nivel de confianza Z son los siguientes:
Cuadro 15 Porcentajes de nivel de confianza
Zα Nivel de confianza
99% 2,58
95,5% 2
95% 1,96
90% 1,65
85% 1,44
80% 1,28
75% 1,15
Elaborado por: Lucy Anastacio – Marlon Barzola Fuente: Datos de la investigación
A continuación, se detallan los parámetros utilizados para el cálculo de la muestra
en nuestro proyecto:
74
Cuadro 16 Parámetros usados para el cálculo de muestra del proyecto
Parámetro Valor
N 285
Zα 95%
P 50%
Q 50%
E 5%
Elaborado por: Lucy Anastacio – Marlon Barzola Fuente: Datos de la investigación
Aplicando la fórmula se obtiene el siguiente resultado para nuestro proyecto:
𝑛 =285 ∗ (1,96)2 ∗ 0,5 ∗ 0,5
((0,052) ∗ (284)) + ((1,96)2 ∗ 0,5 ∗ 0,5)
𝑛 =273,714
1,6704
𝑛 = 163,86
𝑛 = 164
Se realizó un análisis estadístico de 164 encuestas dirigidas a los estudiantes de
la Facultad de Ciencias Naturales en la carrera de Ingeniería Ambiental, dando
como resultados los siguientes datos:
75
1) ¿Con qué frecuencia usted necesita datos climáticos para realizar sus
estudios académicos?
Cuadro 17 Cuadro estadística pregunta 1
Respuesta Cantidad Porcentaje
Muy frecuentemente 24 14,6%
Frecuentemente 103 62,8%
Ocasionalmente 29 17,7%
Raramente 6 3,7%
Nunca 2 1,2%
Total 164 100%
Elaborado por: Lucy Anastacio – Marlon Barzola Fuente: Datos de la Investigación
Gráfico 40 Diagrama de pastel pregunta 1
Elaborado por: Lucy Anastacio – Marlon Barzola Fuente: Datos de la investigación
Análisis: Se observa que, de un total de 164 estudiantes encuestados, el 62,8%
de ellos frecuentan el uso de datos climáticos. El 17,7% de la población indica que
ocasionalmente utilizan estas variables para sus estudios académicos. El 14,6%
muy frecuentemente las llegan a utilizar, mientras que el 3,7% y 1,2% indican que
raramente y en ningún momento llegan a utilizar este tipo de variables ambientales
en sus estudios respectivamente.
76
2) ¿Estaría usted de acuerdo que la Facultad de Ciencias Naturales disponga
de su propia estación meteorológica?
Cuadro 18 Cuadro estadística pregunta 2
Respuesta Cantidad Porcentaje
Totalmente de acuerdo 110 67,1%
De acuerdo 50 30,5%
Indeciso 3 1,8%
En desacuerdo 0 0%
Totalmente en
desacuerdo
1 0,6%
Total 164 100%
Elaborado por: Lucy Anastacio – Marlon Barzola Fuente: Datos de la Investigación
Gráfico 41 Diagrama de pastel pregunta 2
Elaborado por: Lucy Anastacio – Marlon Barzola Fuente: Datos de la Investigación
Análisis: De un total de 164 estudiantes encuestados, se puede observar
mediante los datos obtenidos que el 67,1% de la población estarían totalmente de
acuerdo en que la Facultad de Ciencias Naturales disponga de su propia estación
meteorológica, mientras que el 30,5% de la población estarían de acuerdo. El
1,8% asegura estar indeciso con respecto a este tema, y el 0,6% dice no estar
totalmente de acuerdo con que la Facultad disponga de su propia estación
meteorológica.
77
3) De las siguientes variables climáticas, ¿cuál considera usted que es la
más utilizada para sus estudios? (Puede escoger más de una)
Cuadro 19 Cuadro estadística pregunta 3
Variables Cantidad Porcentaje
Temperatura 77 47%
Humedad Relativa 28 17,1%
Precipitación 59 36%
Todas las anteriores 81 49,4%
Ninguna de las
anteriores
1 0,6%
Velocidad del viento 8 4,9%
Dirección del viento 59 35,9%
Elaborado por: Lucy Anastacio – Marlon Barzola Fuente: Datos de la Investigación
Gráfico 42
Gráfico de barras pregunta 3
Elaborado por: Lucy Anastacio – Marlon Barzola Fuente: Datos de la Investigación
Análisis: El gráfico de barras nos muestra que, de un total de 164 estudiantes
encuestados, el 47% de ellos consideran a la variable temperatura como la más
utilizada en el proceso de sus estudios académicos. El 36% de ellos nos indican
que la precipitación es la segunda más utilizada seguida de la humedad relativa
con un 17,1%. El 49,4% considera que todas las variables mencionadas
anteriormente son necesarias para sus estudios. En las encuestas dimos opción
78
libre a que respondan una variable adicional que ellos consideren importante, y el
grafico nos muestra que la velocidad del viento es una variable climática muy
solicitada con un total de 35,9% y la velocidad del viento con un 4,9%. Mientras
que el 0,6% de la población considera que ninguna de estas opciones es solicitada
para sus estudios.
4) ¿Estaría usted de acuerdo con la implementación de un prototipo de
estación meteorológica que ayude a generar y almacenar datos en tiempo
real?
Gráfico 43 Cuadro estadístico pregunta 4
Respuesta Cantidad Porcentaje
Totalmente de acuerdo 116 70,7%
De acuerdo 47 28,7%
Indeciso 1 0,6%
En desacuerdo 0 0%
Totalmente en
desacuerdo
0 0%
Total 164 100%
Elaborado por: Lucy Anastacio – Marlon Barzola
Fuente: Datos de la Investigación
Gráfico 44 Diagrama de pastel pregunta 4
Elaborado por: Lucy Anastacio – Marlon Barzola Fuente: Datos de la Investigación
79
Análisis: Según las encuestas realizadas, los resultados obtenidos reflejan que
un 70,7% de la población estarían totalmente de acuerdo en que se implemente
un sistema meteorológico que genere y almacene datos en tiempo real, mientras
que el 28,7% de ellos estarían de acuerdo con el proyecto. El 0,6% estarían
indecisos con este tipo de proyecto.
5) ¿Considera usted que el disponer de una aplicación web con información
meteorológica en la facultad ayudaría a optimizar su tiempo de estudio de
una manera más eficiente?
Cuadro 20 Cuadro estadística pregunta 5
Respuesta Cantidad Porcentaje
Totalmente de acuerdo 76 46,3%
De acuerdo 84 51,2%
Indeciso 4 2,4%
En desacuerdo 0 0%
Totalmente en
desacuerdo
0 0%
Total 164 100%
Elaborado por: Lucy Anastacio – Marlon Barzola Fuente: Datos de la Investigación
Gráfico 45 Diagrama de pastel pregunta 5
Elaborado por: Lucy Anastacio – Marlon Barzola Fuente: Datos de la Investigación
80
Análisis: De un total de 164 estudiantes encuestados, el 46,3 % de ellos estarían
totalmente de acuerdo en disponer de una aplicación web que les permita
optimizar su tiempo de estudio, el 51,2 % estarían de acuerdo con ello, y el 2,4%
estaría indeciso.
6) ¿Usaría usted una aplicación web para visualizar la información generada
por la nueva estación meteorológica?
Cuadro 21 Cuadro estadística pregunta 6
Respuesta Cantidad Porcentaje
Totalmente de acuerdo 73 44,5%
De acuerdo 89 54,3%
Indeciso 2 1,2%
En desacuerdo 0 0%
Totalmente en
desacuerdo
0 0%
Total 164 100%
Elaborado por: Lucy Anastacio – Marlon Barzola Fuente: Datos de la Investigación
Gráfico 46 Diagrama de pastel pregunta 6
Elaborado por: Lucy Anastacio – Marlon Barzola Fuente: Datos de la Investigación
81
Análisis: De los 164 estudiantes encuestados, la gráfica nos muestra que el
44,5% de la población utilizaría una aplicación web para visualizar los datos
meteorológicos, mientras que el 54,3% estarían de acuerdo. El 2,4% afirman estar
indecisos con respecto a este tema.
7) ¿Cree usted que la estación meteorológica que hay actualmente en la
facultad es suficiente para que usted pueda llegar a realizar cualquier tipo
actividad o estudio académico?
Cuadro 22 Cuadro estadística pregunta 7
Respuesta Cantidad Porcentaje
Totalmente de acuerdo 3 1,8%
De acuerdo 12 7,3%
Indeciso 40 24,4%
En desacuerdo 104 63,4%
Totalmente en
desacuerdo
5 3%
Total 164 100%
Elaborado por: Lucy Anastacio – Marlon Barzola Fuente: Datos de la Investigación
Gráfico 47 Diagrama de pastel pregunta 7
Elaborado por: Lucy Anastacio – Marlon Barzola Fuente: Datos de la Investigación
Análisis: Se puede observar en el gráfico que, de un total de 164 estudiantes
encuestados, el 63,4% de la población no está de acuerdo en que la estación
meteorológica que posee la facultad actualmente sea suficiente para que ellos
82
puedan realizar cualquier tipo de actividad académica, el 24,4% estaría indeciso,
mientras que el 7,3% de ellos si están de acuerdo. El 5% de la población está en
total desacuerdo y el restante 1,8% está totalmente de acuerdo de que la estación
si es suficiente para ellos.
8) ¿Cree usted que las estaciones meteorológicas resultan de vital
importancia para su formación como profesional?
Cuadro 23 Cuadro estadística pregunta 8
Respuesta Cantidad Porcentaje
Totalmente de acuerdo 51 31,1%
De acuerdo 98 59,8%
Indeciso 7 4,3%
En desacuerdo 8 4,9%
Totalmente en
desacuerdo
0 0%
Total 164 100%
Elaborado por: Lucy Anastacio – Marlon Barzola Fuente: Datos de la Investigación
Gráfico 48 Diagrama de pastel pregunta 8
Elaborado por: Lucy Anastacio – Marlon Barzola Fuente: Datos de la Investigación
83
Análisis: De un total de 164 estudiantes encuestados en la Facultad de Ingeniería
Ambiental, el 31,1% de ellos aseguran que el conocimiento y uso de las estaciones
meteorológicas les ayudará en su proceso de formación profesional, el 59,8% de
los encuestados dicen estar de acuerdo con esto; el 4,9% estaría en desacuerdo
y el 4,3% afirma estar inseguro respecto a esta afirmación.
84
CAPÍTULO IV
CRITERIOS DE ACEPTACIÓN DEL PRODUCTO O
SERVICIO
Los resultados finales de las encuestas realizadas en la Facultad de Ingeniería
Ambiental dieron a conocer que a pesar de que la Facultad de Ciencias Naturales
cuenta con una estación meteorológica automática de propiedad del INAMHI, los
estudiantes estarían de acuerdo con que la Facultad disponga de su propia
estación meteorológica para mejorar su rendimiento académico.
La estación que se implementó en este trabajo de titulación cumple con los
estándares de tecnologías Open Source, siendo el código fuente de la página
web y de los microcontroladores accesible para todos los estudiantes de la
carrera o futuros tesistas que quieran seguir escalando los alcances de este
proyecto.
En cuanto al tiempo de vida útil de los componentes empleados, se estima un
aproximado de 6 años para la estación meteorológica debido a que los
microcontroladores trabajan con voltajes de 5.5VDC, además para el sistema de
alimentación de los equipos se optó por emplear una instalación solar, dando
como resultado una fuente de energía renovable e inagotable por lo que los
equipos podrán mantenerse trabajando por muchas horas sin contaminar al
medio ambiente.
Como se mencionó en capítulos anteriores, el presupuesto para este proyecto
resulta favorable para la Facultad de Ciencias Naturales debido a que los equipos
trabajan con tecnologías Open Source reduciendo significativamente los costos
de adquisición de los productos en las electrónicas del país.
A continuación, se detalla la matriz con los criterios de aceptación del producto
según los alcances establecidos en el capítulo I de nuestro proyecto.
85
Cuadro 24 Criterios de aceptación del producto o servicio
Criterios de
aceptación
Cumple No cumple
¿La estación
meteorológica permite la
inserción de datos vía
GPRS hacia el servidor?
X
¿El sistema permite
visualizar los datos en
tiempo real?
X
¿Permite visualizar
información mediante un
historial de datos?
X
¿Costos de
implementación
reducido?
X
¿Producto escalable a
largo plazo?
X
¿Disponibilidad del
sistema a cualquier hora
del día?
X
Elaborado: Lucy Anastacio – Marlon Barzola Fuente: Datos de la investigación
86
CONCLUSIONES
1. Se diseñó e implementó una estación meteorológica con arquitectura de
código abierto para el monitoreo climatológico de las variables de
temperatura del aire, humedad relativa y precipitación para su posterior
uso en la Facultad de Ciencias Naturales.
2. Se desarrolló una aplicación web capaz de adaptarse a dispositivos
móviles, la cual permite visualizar los datos climáticos en tiempo real con
su respectivo almacenamiento en la base de datos MySQL, brindando la
facilidad de generar reportes en Excel para que estos datos puedan ser
impresos.
3. En cuanto a la selección de hardware, se realizó un análisis a varios
componentes electrónicos que existen actualmente en el mercado para
determinar las mejores alternativas compatibles con el microcontrolador
Arduino Uno. Se concluyó que el módulo GSM/GPRS A7 fue la mejor
opción para el envío de información por su facilidad de configuración
debido a que este módulo detecta automáticamente el usuario y
contraseña de la operadora móvil sin necesidad de configurarlos mediante
comandos.
4. Para la selección de los sensores se consideró el factor costo y precisión
de estos. El DHT21 es uno de los más precisos dentro de la familia DHT y
con la posibilidad de medir humedad relativa. El sensor HC SR04 se lo
eligió por su precio económico y compatibilidad con cualquier modelo de
microcontrolador Arduino.
5. Para las pruebas de envío de información mediante el módulo GPRS, se
activaron 300 MB de datos en una tarjeta SIM de la compañía CNT por
$5,00, lo cual fue suficiente para que la estación trabaje durante un mes
completo debido a que de los 300 MB solo se consumieron 12MB en todo
el mes. Se comprobó que se realizara de manera exitosa el envío y
almacenamiento de información hacia el servidor durante intervalos de 1
minuto, por lo que la comunicación GPRS resulta bastante favorable para
este sistema meteorológico.
6. El peso de la base de datos al cabo de un mes de prueba fue de 1,4MB
por lo que se estima que en un año esta llegue a alcanzar un tamaño total
87
de 16.8MB. El servidor Raspberry tiene una capacidad de 35GB gracias a
un dispositivo de almacenamiento externo que se le instaló, por lo que será
capaz de almacenar información por muchos años.
7. El proyecto resulta de gran importancia tanto para docentes y estudiantes
de la carrera debido a que la estación meteorológica implementada es
capaz de generar datos de temperatura, humedad relativa y precipitación
en tiempo real; dicha información puede ser consultada en cualquier
momento desde el sitio web que se desarrolló para este propósito.
RECOMENDACIONES
1. Para realizar las pruebas de envío de información, se activó un plan de datos
de 300 MB, sin embargo, no resulta cómodo realizar este proceso de
activación mes a mes, por lo que se recomienda contratar un plan de datos
mensual para la tarjeta SIM empleada.
2. Se recomienda que la Facultad de Ciencias Naturales adquiera una IP fija para
que el servidor Raspberry pueda tener salida a internet y así alojar la página
web que hemos diseñado para ellos con su respectiva base de datos, de modo
que los estudiantes podrán acceder al sistema en cualquier momento.
3. Se recomienda dotar de refrigeración adecuada al procesador del Raspberry
para que no sufra sobrecalentamientos en los próximos años y así evitar
errores en el sistema operativo.
4. Ya que los canales de comunicación en una red GPRS se comparten
dinámicamente entre los distintos usuarios, se puede llegar a desarrollar una
red de estaciones meteorológicas.
5. El presente proyecto puede ser escalable a largo plazo. La pregunta número
3 de las encuestas realizadas a los estudiantes de la Facultad de Ingeniería
Ambiental refleja que existe una importante necesidad académica de
información referente a variables de velocidad y dirección del viento, por lo que
dejamos las puertas abiertas a futuros tesistas para que puedan seguir
ampliando el alcance del proyecto. Una recomendación para medir la
velocidad del viento es desarrollar un anemómetro con un motor de corriente
continua, mientras que para para la dirección del viento se recomienda el uso
de sensores de efecto Hall 49E que permiten medir campos magnéticos y
totalmente compatibles con Arduino.
88
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94
ANEXOS
Anexo 1. Encuesta
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL.
FACULTAD DE CIENCIAS MATEMÁTICAS Y FISICA.
Implementación de una estación meteorológica para la
Facultad de Ciencias Naturales de la Universidad de Guayaquil
utilizando herramientas Open Source.
1) ¿Con qué frecuencia usted necesita datos climáticos para realizar sus
estudios académicos?
o Muy frecuentemente
o Frecuentemente
o Ocasionalmente
o Raramente
o Nunca
2) ¿Estaría usted de acuerdo en que la facultad de ciencias naturales
disponga de su propia estación meteorológica?
o Totalmente de acuerdo
o De acuerdo
o Indeciso
o En desacuerdo
o Totalmente en desacuerdo
3) De las siguientes variables climáticas, ¿cuál considera usted que es la
más utilizada para sus estudios?
o Temperatura
o Humedad Relativa
o Precipitación
o Todas las anteriores
o Ninguna de las anteriores
95
o Otro (especifique) ______________________
4) ¿Estaría usted de acuerdo con la implementación de un prototipo de
estación meteorológica que ayude a generar y almacenar datos en tiempo
real?
o Totalmente de acuerdo
o De acuerdo
o Indeciso
o En desacuerdo
o Totalmente en desacuerdo
5) ¿Considera usted que el disponer de una aplicación web con
información meteorológica en la facultad ayudaría a optimizar su tiempo de
estudio de una manera más eficiente?
o Totalmente de acuerdo
o De acuerdo
o Indeciso
o En desacuerdo
o Totalmente en desacuerdo
6) ¿Usaría usted una aplicación web para visualizar la información
generada por la nueva estación meteorológica?
o Totalmente de acuerdo
o De acuerdo
o Indeciso
o En desacuerdo
o Totalmente en desacuerdo
7) ¿Cree usted que la estación meteorológica que hay actualmente en la
facultad es suficiente para que usted pueda llegar a realizar cualquier tipo
actividad o estudio académico?
o Totalmente de acuerdo
o De acuerdo
o Indeciso
96
o En desacuerdo
o Totalmente en desacuerdo
8) ¿Cree usted que las estaciones meteorológicas resultan de vital
importancia para su formación como profesional?
o Totalmente de acuerdo
o De acuerdo
o Indeciso
o En desacuerdo
o Totalmente en desacuerdo
Anexo 2. Programación En El Microcontrolador Arduino
#include <Adafruit_Sensor.h>
#include <SoftwareSerial.h>
#include <DHT.h>
#include <DHT_U.h>
#define DHTPIN 2 // Pin which is connected to the DHT sensor.
#define S1debug true
SoftwareSerial SIM900(7, 8);
// Uncomment the type of sensor in use:
//#define DHTTYPE DHT11 // DHT 11
//#define DHTTYPE DHT22 // DHT 22 (AM2302)
#define DHTTYPE DHT21 // DHT 21 (AM2301)
// See guide for details on sensor wiring and usage:
// https://learn.adafruit.com/dht/overview
DHT_Unified dht(DHTPIN, DHTTYPE);
uint32_t delayMS;
const int TriggerPin = 10; // pin del TRIGGER
97
const int EchoPin = 11; // pin del ECHO
long Duracion = 0;
void setup() {
// put your setup code here, to run once:
pinMode(TriggerPin,OUTPUT); // Pin del TRIGGER lo ponemos en output
pinMode(EchoPin,INPUT); // Pin del ECHO lo ponemos en input
Serial.begin(115200); // activamos el puerto serie para ver los resultados
SIM900.begin(115200);
// Initialize device.
dht.begin();
Serial.println("DHTxx Unified Sensor Example");
// Print temperature sensor details.
sensor_t sensor;
dht.temperature().getSensor(&sensor);
// Print humidity sensor details.
dht.humidity().getSensor(&sensor);
// Set delay between sensor readings based on sensor details.
delayMS = sensor.min_delay / 1000;
}
98
void loop() {
// put your main code here, to run repeatedly:
digitalWrite(TriggerPin, LOW); // ponemos el pin TRIGGER en LOW
delayMicroseconds(2); // esperamos 2 milisegundos
digitalWrite(TriggerPin, HIGH); // ponemos el pin TRIGGER en HIGH
delayMicroseconds(10); // lo temos activado durante 10 milisegundos
digitalWrite(TriggerPin, LOW); // ponemos el pin del TRIGGER en LOW
Duracion = pulseIn(EchoPin,HIGH); // Esperamos a que el pin del ECHO
devuelva HIGH, y guardamos el tiempo
// Devuelve el tiempo en milisegundos
long Distancia_mm = fDistancia(Duracion); // Función para calcular la distancia
Serial.print("Distancia = "); // Y la mostramos por el puerto serie
Serial.print(Distancia_mm);
Serial.println(" cm");
// Delay between measurements.
delay(delayMS);
// Get temperature event and print its value.
sensors_event_t event;
float temperature;
float humidity;
dht.temperature().getEvent(&event);
99
if (isnan(event.temperature)) {
Serial.println("Error reading temperature!");
}
else {
Serial.print("Temperature: ");
Serial.print(event.temperature);
Serial.println(" *C");
temperature = event.temperature;
}
// Get humidity event and print its value.
dht.humidity().getEvent(&event);
if (isnan(event.relative_humidity)) {
Serial.println("Error reading humidity!");
}
else {
Serial.print("Humidity: ");
Serial.print(event.relative_humidity);
Serial.println("%");
humidity = event.relative_humidity;
}
SendData("AT+CREG?",2000,S1debug);
delay(100);
100
SendData("AT+CGATT=1",2000,S1debug);
delay(1000);
SendData("AT+CGDCONT=1,\"IP\",\"CMNET\"",2000,S1debug);
delay(1000);
SendData("AT+CGACT=1,1",2000,S1debug);
delay(1000);
SendData("AT+CIPSTART=\"TCP\",\"186.3.157.83\",8090",2000,S1debug);
delay(1000);
SendData("AT+CIPSEND=10",2000,S1debug);
delay(1000);
SIM900.print("GET /index.php?temp=");
SIM900.print(temperature);
SIM900.print("&hum=");
SIM900.print(humidity);
SIM900.print("&dis=");
SIM900.print(Distancia_mm);
SIM900.println("\r\n");
delay(100);
SendData(char(26));
delay(100);
SendData("AT+CIPCLOSE",2000,S1debug); //Close TCP
delay(54700);
101
}
long fDistancia(long tiempo) {
// Calculamos la distancia en mm
// ((tiempo)*(Velocidad del sonido)/ el camino se hace dos veces)
long DistanceCalc; // Variable para los cálculos
DistanceCalc = 106 - ((tiempo /2.9) / 2); // Cálculos en milímetros
//DistanceCalc = (tiempo /29) / 2; // Cálculos en centímetros
// DistanceCalc = (tiempo / 74) / 2; // Cálculos en pulgadas
return DistanceCalc; // Devolvemos el calculo
}
void SendData(String command, const int timeout, boolean debug){
String response = "";
SIM900.println(command);
delay(5);
if(debug){
long int time = millis();
while( (time+timeout) > millis()){
while( SIM900.available()){
response += char( SIM900.read());
}
}
Serial.print(response);
}
}
102
Anexo 3. Aplicación Web
Estructura MVC del proyecto
Pantalla de Inicio de Sesión
103
Error de inicio de sesión en la aplicación web
Página de aterrizaje
104
Consulta de Historial por fecha
Gráfica en tiempo real de datos de temperatura
105
Gráfica en tiempo real de datos de Humedad Relativa
Gráfica en tiempo real de datos de Precipitación
106
Tabla paginada del historial de datos de temperatura
Historial correspondiente a los datos del 12 de agosto del 2019.
Tabla paginada del historial de datos globales
107
Anexo 4. Conexión vía SSH hacia el servidor Raspberry Pi Zero
108
Anexo 5. Datasheets DHT21
1, Descripción general del producto AM2301 de humedad capacitivo de
detección de temperatura digital y módulo de humedad es la que contiene el
compuesto ha sido calibrado salida de señal digital del sensor de temperatura y
humedad. Aplicación de una dedicada tecnología de recolección de módulos
digitales y la tecnología de detección de temperatura y la humedad, para asegurar
que el producto tiene una alta fiabilidad y una excelente estabilidad a largo plazo.
El sensor incluye un capacitivo componente húmedo sensor y un dispositivo de
medición de temperatura de alta precisión, y se conecta con un alto rendimiento
microcontrolador de 8 bits. El producto tiene excelente calidad, respuesta rápida,
fuerte capacidad anti-interferencia, y alto costo. Cada sensor es extremadamente
preciso de calibración cámara de calibración de humedad. La forma de los
procedimientos, los coeficientes de calibración almacenado en el microcontrolador,
el sensor dentro de la transformación de los latidos del corazón para llamar a estos
coeficientes de calibración. interfaz estándar de un solo bus, rápida integración de
sistemas y fácil. Pequeño tamaño, bajo consumo de energía, la transmisión de
señales de distancia de hasta 20 metros, por lo que es la mejor opción de todo
tipo de aplicaciones y las aplicaciones más exigentes. Productos para la
comodidad de conexión de 3 derivaciones (de un solo bus de interfaz). paquetes
especiales de acuerdo con las necesidades del usuario.
109
2, Aplicaciones
HVAC, deshumidificador, pruebas y equipos de inspección, los bienes de
consumo, automoción control, automático, registradores de datos, aparatos
electrodomésticos, regulador de la humedad, las estaciones médicas, tiempo, y
otra medida de la humedad y el control y así sucesivamente.
3, Funciones
Ultra-baja potencia, la distancia de transmisión, la calibración totalmente
automatizado, el uso de sensor de humedad capacitivo, la salida de un solo bus
digital estándar completamente intercambiables, excelente estabilidad a largo
plazo, los dispositivos de medición de temperatura de alta precisión.
4, la definición de interfaz de un único bus
4.1 AM2301 la asignación de patillas
4.2 clavijas de alimentación de energía (VDD GND)
AM2301 rango de tensión de alimentación de 3,3 V - 5,2 V, tensión de alimentación
recomendada es de 5V.
4.3 Datos de serie (SDA)
SDA pin es la estructura tri para leer, escribir los datos del sensor. sincronización
de la comunicación específico, véase la descripción detallada del protocolo de
comunicación.
110
5, El rendimiento del sensor
6, Características eléctricas
Características eléctricas, tales como consumo de energía, alto, bajo, de entrada,
voltaje de salida, dependiendo de la fuente de alimentación. Cuadro 4 detalla las
características eléctricas de la AM2301, si no identificado, dicha tensión de
alimentación de 5V. Para obtener los mejores resultados con el sensor, por favor
diseñar estrictamente de acuerdo con las condiciones de diseño de la tabla 4.
111
7, la comunicación de un solo bus ( UN HILO )
7.1 circuitos típicos para solo bus
Circuito de aplicación típico Microprocesador y AM2301 conexión se muestra en
la Figura 4. El modo de comunicación de bus individual tire del microprocesador
SDA I / O está conectado puerto.
Instrucciones especiales de la comunicación de un solo bus:
Circuito de aplicación 1. Typical recomienda en la longitud del cable corto de 30
metros en la resistencia de 5.1k pullup resistencia de actuación de acuerdo con la
situación real de menor que 30 m. 2. Con la tensión de alimentación de 3,3 V, la
longitud del cable no debe ser mayor de 100 cm. De lo contrario, la línea caída de
voltaje dará lugar a la fuente de alimentación de sensores, lo que resulta en un
112
error de medición. 3. Lea el intervalo de tiempo mínimo sensor para las 2S; leer
intervalo es de menos de 2S, puede causar la temperatura y la humedad no se les
permite o comunicación no tiene éxito, etc. 4.Temperatura y valores de humedad
son cada lectura a los resultados de la última medida de datos en tiempo real que
necesitan la doble lectura continua, se recomienda varias veces para leer los
sensores, y cada leer intervalo de sensor es mayor que 2 segundos para obtener
accuratethe datos.
7.2, protocolo de comunicación de un solo bus.
Descripción bus sola
Dispositivo AM2301 utiliza una comunicación simplificada de un solo bus. bus
único que sólo una línea de datos, sistema de intercambio de datos, controlada
por la línea de datos para completar. Equipo (microprocesador) a través de un
puerto de drenaje abierto o tri-estado conectado a la línea de datos para permitir
que el dispositivo no envía datos a liberar el bus, mientras que otros dispositivos
utilizan el bus; solo bus por lo general requieren una externa sobre 5.1k Ω
resistencia pull-up, así que cuando el bus está inactivo, su estado es alta. Debido
a que son la estructura maestro-esclavo, sólo el anfitrión llama al sensor, éste
responderá, por lo que los anfitriones para acceder al sensor debe seguir
113
estrictamente la secuencia de solo bus, si hay una secuencia de confusión, el
sensor no responderá al host.
Bus único para enviar datos.
SDA Para la comunicación y sincronización entre el microprocesador y el formato
de datos AM2301, de un solo bus, una transmisión de 40 datos, los altos primero
en salir. sincronización de la comunicación específica que se muestra en la Figura
5, el formato de la comunicación se representa en la tabla 5.
Anexo 5. Datasheets HC-SR04
El módulo de alcance ultrasónico HC - SR04 ofrece 2 cm - 400cm sin contacto
función de medición, la precisión que van desde 3 mm. Los módulos incluye
transmisores ultrasónicos y el receptor. El principio básico de trabajo:
(1) Uso de IO de disparo para al menos 10us alto nivel de señal.
(2) el módulo envía automáticamente ocho 40 kHz y detectar si hay un pulso de la
señal de vuelta.
(3) si la señal de vuelta, a través de alto nivel, el tiempo o f salida de alta duración
IO es el tiempo desde el envío de ultrasonidos de volver. Prueba distancia =
(tiempo de alto nivel × velocidad del sonido (340M / S) / 2.
Cable de conexión directa de la siguiente manera:
5V
Trigger Pulse Input
Echo Pulse Output
0V Ground
114
Parámetros Electrónicos
Diagrama de tiempo
El diagrama de temporización se muestra a continuación. Sólo es necesario
suministrar un corto 10uS pulso a la entrada de disparo para iniciar el que van,
una d entonces el módulo enviará una ráfaga de 8 ciclo de ultrasonidos a 40 kHz
y aumento su eco. El eco es un objeto distancia que es de anchura de impulso y
la i gama. Tiene n proporción puede calcular el rango a través del intervalo de
tiempo entre en el envío de señal de disparo y recepción de la señal de eco.
Fórmula: uS / 58 = centímetros o uS / 148 = pulgadas; o el rango = alto nivel de
tiempo * velocidad (340M / S) / 2; nosotros Es mejor utilizar más de 60 ms ciclo de
medición, con el fin de evitar la señal de disparo Al para la señal de eco.
115
Atención:
• El módulo no se sugiere para conectarse directamente a eléctrico, si está
conectado eléctrico, el terminal GND se debe conectar el primer módulo,
de lo contrario, que afectará el trabajo normal del módulo.
• Cuando se ensayaron los objetos, el rango de área es menos de 0,5 metros
cuadrados y las solicitudes de avión lo más suave posible, otra sabia, que
afectará a los resultados de medición.
116
Anexo 6. Proceso De Construcción De La Estación Meteorológica
117
Anexo 7. Circuitería Final Del Proyecto
118
Anexo 8. Estación Meteorológica Puesta En Marcha En La Facultad
De Ciencias Naturales
119
Anexo 9. Junto al Ingeniero Xavier Lascano del Inamhi quien nos
permitió realizar la instalación de nuestro proyecto junto a la
estación de ellos para realizar pruebas en la Facultad De Ciencias
Naturales
120
Anexo 10. Encuestas a los estudiantes de la carrera de Ingeniería
Ambiental
121
Anexo 11. Certificados de aprobación del proyecto
122
123
Anexo 12. Manual Técnico Del Sistema Meteorológico
UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL
FACULTAD DE CIENCIAS MATEMATICAS Y FISICAS
CARRERA DE INGENIERÍA EN NETWORKING Y
TELECOMUNICACIONES
IMPLEMENTACIÓN DE UNA ESTACIÓN METEOROLÓGICA PARA LA
FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES DE LA UNIVERSIDAD DE
GUAYAQUIL UTILIZANDO HERRAMIENTAS OPEN SOURCE
PROYECTO DE TITULACIÓN
Previa a la obtención del Título de:
INGENIERO EN NETWORKING Y TELECOMUNICACIONES
AUTOR (ES):
ANASTACIO BURGOS LUCY VIVIANA
BARZOLA ROMERO MARLON RAMÓN
TUTOR:
ING. JUAN CARLOS YTURRALDE VILLAGÓMEZ, M.Sc.
GUAYAQUIL – ECUADOR
2019
124
INTRODUCCIÓN
El presente manual técnico se desarrolló con la finalidad de que el usuario final se
familiaricen con el sistema implementado y además permitir que cualquier persona
con ciertos conocimientos en electrónica y programación web dentro de la
Facultad de Ciencias Naturales pueda identificar algún fallo en el sistema en caso
de que estos se presente en un futuro.
OBJETIVOS
Proveer de información necesaria para el buen uso del sistema meteorológico
implementado.
Objetivos específicos:
• Definir las herramientas empleadas para la construcción de la estación
meteorológica.
• Definir el procedimiento de interconexión entre microprocesador, módulo
GPRS y sensores.
• Detallar el funcionamiento de la estación meteorológica.
• Definir la estructura MVC del aplicativo web.
• Conexión vía SSH al servidor Raspberry.
125
1. Herramientas empleadas para la construcción de la
estación meteorológica
1.1 Arduino Uno
Este microcontrolador es el circuito principal del sistema, puede ser programado
con el Software Arduino IDE que se obtiene descargándolo desde su página oficial
“arduino.cc” y compatible con las plataformas de Windows, Linux y Mac OSX. Este
microcontrolador posee 14 pines de entrada / salida digital y 6 entradas analógicas.
1.2 Módulo A7 GSM/GPS/GPRS
El A7 GSM/GPS/GPRS es módulo que nos permite realizar una comunicación
inalámbrica mediante el envío de paquetes SMS con la ayuda de una tarjeta SIM
de cualquier operadora gracias a su compatibilidad con la red GPRS de banda
dual GSM/GPRS. Este módulo soporta comandos AT que permiten enviar y recibir
llamadas y mensajes de texto. Este módulo se empleó como medio de
comunicación entre el servidor de base de datos montado en el Raspberry PI y la
estación meteorológica aprovechando su funcionalidad de GPRS.
1.3 Sensor DHT21
Es definido como un sensor digital enfocado a medir la humedad relativa y
temperatura del airé el cual goza de una precisión detallada dentro de un
contenedor robusto. Está compuesto de un termistor, un sensor capacitivo de
humedad, y de un microcontrolador que se ocupa de efectuar la respectiva
conversión de señal analógica al tipo digital. Se recomienda proteger al sensor de
la radiación directa del sol mediante el uso de una pantalla de Stevenson.
1.4 Sensor HC-SR04
Es un sensor que utiliza ondas ultrasónicas para determinar la distancia de un
objeto en un rango de 2 a 450 cm. Este módulo incorpora un emisor conocido
como pin trigger (TRIG) que envía una ráfaga ultrasónica y un receptor (pin
ECHO) que capta el rebote de la onda. El tiempo que la onda sonora tarde en
rebotar entre el objeto hasta el receptor puede utilizarse para determinar la
distancia que existe entre el sensor y el objeto. Este módulo se empleó para medir
el nivel de lluvia que se almacenará en un recipiente y así poder determinar la
precipitación.
126
1.5 Regulador de voltaje Step-Down LM2596S con Display
Este circuito nos ayudará a mantener un voltaje constante de 5.5V a la entrada del
microcontrolador Arduino Uno y así evitar que los demás componentes sufran
sobrecargas de tensión.
1.6 Regulador solar CMP12-10A
Estos reguladores de carga son necesarios dentro de cualquier instalación solar,
actúan como corte de paso de energía y van instalados entre la batería y el panel
solar para poder controlar la carga y descarga de la batería.
1.7 Batería recargable GEL 12V 7.0 Ah
Estas baterías son capaces de soportar temperaturas elevadas y presentan buena
resistencia a las vibraciones o golpes, permitiendo que este tipo de baterías
funcionen perfectamente para instalaciones solares aisladas y así proveer energía
suficiente a la estación meteorológica. Es necesario que el sistema trabaje con
este amperaje debido a que la estación no se mantiene estable con baterías de 2
a 4Ah.
En el siguiente gráfico se identifican cada uno de los componentes utilizados en
el proyecto y que se mencionaron anteriormente:
127
Gráfico 49 Componentes electrónicos del proyecto
Elaborado por: Lucy Anastacio – Marlon Barzola Fuente: Datos de la investigación
128
2. Procedimiento de interconexión entre microprocesador,
módulo GPRS y sensores.
A continuación, se presenta un diagrama de interconexión entre cada uno de los
componentes mencionados en la sección 1.
Gráfico 50 Conexión entre microprocesador, módulo GPRS y sensores
Elaborado por: Lucy Anastacio – Marlon Barzola Fuente: Datos de la Investigación
2.1 Conexión entre Arduino Uno – Modulo A7 GSM/GPS/GPRS
Antes de empezar a trabajar con estos módulos debemos tener en cuenta que el
microcontrolador Arduino Uno trabaja con comunicación serial. Para establecer
esta conexión con el módulo GPRS, se puede observar en el gráfico anterior que
se requirió configurar el PIN 7 del Arduino como receptor, mientras que el PIN 8
será utilizado como emisor de los comandos AT hacia el módulo A7.
Cuadro 25 Conexión de puertos serie entre Arduino Uno y el módulo A7
Arduino Uno Módulo A7
PIN 7 Rx V_TXD
PIN 8 Tx V_RXD
Elaborado por: Lucy Anastacio – Marlon Barzola Fuente: Datos de la Investigación
129
2.2 Instalación Solar
Para mantener a todos los equipos funcionando se requirió de realizar una
instalación solar, para ello se optó por utilizar un panel solar de 18V 15W y así
proveer de energía suficiente a la batería de 12V 7ah, sin embargo, los
microcontroladores y los sensores al trabajar en un rango de 5.5 a 12 VDC, se
requirió la instalación de un regulador de voltaje LM2596S capaz de soportar entre
4 a 35V y darnos a la salida un voltaje constante regulado de 5.5VDC, de esta
manera, cuando la batería se encuentre en su carga máxima la estación
meteorológica podrá seguir funcionando durante 2 días consecutivos sin la
necesidad de que se recargue la batería con el sistema de alimentación solar.
2.3 Conexión del sensor DHT21
El gráfico 51 detallará cómo se realizaron las conexiones de los sensores DHT21
y el ultrasónico HC-SR04. El PIN digital 2 del Arduino Uno será el encargado de
enviar los pulsos digitales comunicándose con el sensor mediante el protocolo
Single bus enviando una transmisión de 40 datos 5 octetos donde los 2 primeros
representarán la humedad relativa alta y baja, los siguientes 2 octetos representan
la temperatura alta y baja y el ultimo representa un bit de paridad que indica la
sumatoria de los 4 octetos mencionados anteriormente y que los datos han sido
enviados correctamente al microcontrolador.
2.4 Conexión del sensor HC-SR04
Para el sensor ultrasónico HC-SR04 se configuró el PIN TRIG a la entrada del PIN
10 del Arduino el cuál suministrará un pequeño pulso eléctrico binario (TTL) de
10uS generando una ráfaga de ultrasonidos de 8 ciclos a 40 KHz, cuando la señal
viaje hasta la base del recipiente de agua, el PIN ECHO conectado al PIN 11 del
Arduino recibirá la señal emitida y dependiendo del tiempo que tarde en reflejarse
la onda determinará la altura del nivel del agua. El rango del sensor ultrasónico
proporciona una función de medición sin contacto de 2 cm - 400 cm, sin embargo,
la precisión del rango puede alcanzar hasta 3 mm.
130
Gráfico 51 Conexión entre Arduino Uno y los sensores
Elaborado por: Lucy Anastacio – Marlon Barzola Fuente: Datos de la investigación
3. Funcionamiento general de la estación meteorológica
A continuación, se muestra un diagrama general del funcionamiento de la estación
meteorológica:
Gráfico 52 Esquema de funcionamiento general
Elaborado por: Anastacio Lucy – Marlon Barzola Fuente: Datos de la investigación
131
Como se observó en el gráfico 52, el usuario se conectará a la dirección
http://186.3.157.83:8090/tesis desde cualquier navegador y se deberá identificar
con las credenciales que hemos creado para el sistema. Una vez dentro del
sistema, el usuario podrá visualizar mediante graficas en tiempo real las variables
ambientales de temperatura, humedad relativa y precipitación que serán
generadas por la estación meteorológica, dichas variables se envían al servidor
Raspberry mediante un enlace de comunicación GPRS configurado en el módulo
GSM/GPRS A7 que contiene la estación meteorológica. En la página web además
se mostrará una sección exclusiva para poder visualizar el historial de esta
información.
Una vez dentro del sistema, el usuario se encontrará con un menú en la parte
superior derecha donde podrá escoger las variables que desee visualizar.
Gráfico 53 Menú del sitio web
Elaborado por: Anastacio Lucy – Marlon Barzola Fuente: Datos de la investigación
En la sección de Historial habrá un formulario que permitirá ingresar al usuario la
fecha que desee consultar para visualizar las variables de temperatura, humedad
o precipitación
132
Gráfico 54 Consulta de historial
Elaborado por: Anastacio Lucy – Marlon Barzola Fuente: Datos de la investigación
4. Estructura MVC del aplicativo web
La página web se desarrolló bajo el patrón MVC (Modelo – Vista – Controlador).
Modelos:
Arduino.php: Este modelo se encarga de hacer la inserción a la base de datos
de las variables de temperatura, humedad y precipitación generadas por la
estación meteorológica.
User.php: Modelo que consultará la disponibilidad de los usuarios registrados en
el sistema.
Weather.php: Modelo que gestionará las variables generadas por la estación
meteorológica.
133
Controladores:
MainController.php: Es el controlador encargado de llamar a la plantilla principal
que se mostrará al usuario final.
UserController.php: Controlador encargado de gestionar el login de usuario.
WeatherController.php: Este controlador será el encargado de hacer las
peticiones de variables de temperatura, humedad y precipitación al modelo
Weather.php.
Vistas
Reports.php: Vista encargada de mostrar los gráficos y variables globales del
sistema.
Temperature.php: Vista que mostrará los datos de temperatura al usuario.
Humidity.php: Mostrará los datos de humedad relativa.
Precipitation.php: Vista que mostrará los datos de precipitación al usuario final.
History.php: Vista que mostrará las variables consultadas por fecha al usuario.
6. Accediendo al Servidor Raspberry Pi Zero
Para acceder al Servidor Raspberry se necesita realizar una conexión vía SSH a
través de la terminal de Linux o Mac OSX. Si se trabaja con alguna distribución de
Windows se necesitará realizar una instalación de algún emulador de consola
como por ejemplo Cygwin o Putty.
Una vez abierta la consola de comandos desde cualquier sistema operativo con
el que estemos trabajando, se debe ingresar el siguiente comando para acceder
vía SSH al servidor:
ssh -p 2222 [email protected]
Una vez establecida la conexión deberá ingresar la clave de administrador que
hemos proporcionado a la Facultad.
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Gráfico 55 Ingreso al servidor Raspberry vía SSH
Elaborado por: Anastacio Lucy – Marlon Barzola Fuente: Datos de la investigación
