Proxecto Estación Meteorolóxica

DESCRIPCIÓN DO PROXECTO

Este proxecto pretende ofrecer a posibilidade de construir unha estación meteorolóxica automática a centros educativos, institucións sen ánimo de lucro ou afeccionados á electrónica co mínimo custo posible.

A estación poderá medir todo tipo de variables meteorolóxicas, como temperatura, humidade relativa, presión atmosférica, intensidade luminosa visible, infravermella e ultravioleta, velocidade do vento e precipitacións. Os sensores empregados serán de fácil adquisición e económicos. Nalgún caso estará previsto o deseño e construcción propias (pluviómetro, anemómetro).

O esquema global da estación estará formado por:

1) Unha unidade de sensores situada no punto de captación de datos. Esta unidade será autónoma, alimentada por enerxía solar con baterías recargables, e transmitirá os datos mediante un radioenlace á estación base.

2) Unha estación base formada polo módulo receptor do radioenlace e un ordenador con conexión permanente a internet. Este ordenador executará un programa propio que recibirá os datos da unidade remota, os procesará e almacenará (en arquivos de texto e follas de cálculo para o seu tratamento e análise) e os fará públicos a través do servidor de internet.

3) Un servidor de correo electrónico e páxinas web (pode ser un servidor personal, comercial ou institucional). Este servidor se converterá no centro de divulgación dos datos adquiridos. Nel se poderán consultar as últimas medidas recibidas, os arquivos históricos de datos xerados pola estación base, gráficas elaboradas por ésta, e tamén se encargará de reenviar os datos por correo electrónico ós destinatarios que o desexen.

ANTECEDENTES

A idea deste proxecto xorde dun grupo de profesores do IES Escolas Proval de Nigrán (Pontevedra), donde funciona dende hai anos unha estación colaboradora do Instituto Nacional de Meteoroloxía na que se fai diariamente a recollida e envío de datos de forma manual. Neste centro tamén se imparte formación profesional da rama de electrónica, e existe un gran interés polas enerxías renovables e en particular a enerxía solar. En Galicia hai un grave déficit deste tipo de instalacións, e pensamos que en parte é debido á falla de información climática a nivel local que demostre a súa viabilidade.

A suma destas circunstancias (a experiencia xa acumulada na recollida de datos, a capacidade tecnolóxica e a vontade de servir de referencia e impulso para a expansión das enerxías renovables no contorno) leváronnos a iniciar este proxecto.

PRIMEIRO PROTOTIPO (xuño-xullo 2005)

Este prototipo tiña como finalidade estudiar a viabilidade do proxecto, realizando as probas necesarias para detectar problemas e solucionalos posteriormente. O prototipo consistía en dúas partes:

EMISOR: formado por unha placa de circuito impreso que contiña o sensor de temperatura-humidade, un microcontrolador e un módulo transmisor de radio de 433MHz en AM.

RECEPTOR: formado por unha placa de circuito impreso cun módulo receptor de radio de 433MHz en AM, un circuito lóxico para adaptar niveis e un cable de porto serie RS232 de tipo DB9 para conectar a un PC.

PROGRAMAS: para o microcontrolador fixemos un sinxelo programa de lectura de datos do sensor e transmisión. No lado do receptor utilizamos o programa hiperterminal de Windows (só se utilizaba para verificar a chegada de datos).

MÓDULO RECEPTOR SERIE DETALLE DA PLACA DE CIRCUITO IMPRESO

MONTAXE DO MÓDULO TRANSMISOR

Este parte do sistema está normalmente ó aire libre, polo que ten que estar preparada para soportar temperaturas altas ou baixas, humidade, choiva, etc. Para facela máis resistente optamos por montar os circuitos no interior dunha farola solar de xardín (desmontando previamente os elementos existentes). Desta forma, ademáis da protección necesaria, dispón tamén da célula solar e as baterías que garanten a alimentación permanente do circuito. Nesta primeira proba, a antena transmisora está acoplada o corpo da farola. O sensor de temperatura e humidade estaba inicialmente dentro da farola, pero como esta ubicación non cumplía os requisitos de ventilación e protección do sol necesarios para unha toma correcta de datos optamos por separalo mediante un cable de suficiente lonxitude e colocalo nun lugar máis protexido.

TRANSMISOR SEN MONTAR E PLACA TRANSMISOR

MONTAXE DO TRANSMISOR E TRANSMISOR COMPLETO

PRIMEIRAS PROBAS

1) VERIFICACIÓN DO CIRCUITO TRANSMISOR

Conectamos o receptor serie a un PC situado nunha posición fixa (nun taller) e o circuito transmisor en diferentes ubicacións e distancias. A última proba foi coa antena do transmisor situada sobre o tellado da caseta meteorolóxica actual, que funcionaba como un perfecto plano de masa. Por este motivo o alcance de transmisión foi satisfactorio, acadando unha recepción correcta incluso no interior taller donde estaba ubicado o ordenador.

2) MÓDULO TRANSMISOR COMPLETO

A continuación montamos o módulo transmisor completo, ou sexa pechado e coa alimentación solar xa conectada e a antena na carcasa da farola solar. Desta forma a eficiencia do transmisor é bastante peor, polo que o alcance obtido foi moito peor. Por este motivo, para as seguintes probas optamos por ubicar o transmisor nunha situación próxima ó receptor.

TRANSMISOR NA CASETA METEOROLÓXICA – CONTORNO DA ESTACIÓN

(ó fondo, edificio do receptor)

SEGUNDO PROTOTIPO (agosto 2005)

Neste prototipo se mellora o sistema transmisor receptor con módulos FM (en lugar dos anteriores, que funcionaban en AM co que tiñan peor sensibilidade).

Tamén se mellora a alimentación do transmisor cun regulador integrado que proporciona unha tensión fixa de 4V independentemente do estado de carga das baterías. Isto é imprescindible para conseguir unha boa precisión de lectura do sensor, así como para controlar o consumo de todo o sistema.

O módulo receptor cambia a saída RS232 por un conversor USB, o que permite usar o sistema con ordenadores máis novos e asegura a continuidade do sistema no futuro.

Se elabora a primeira versión do programa do PC (en C++) que fai a lectura de datos do porto usb, almacenamento local e reenvío á páxina web e por correo electrónico ós destinatarios especificados.

PROBA DE CONTINUIDADE

Esta proba consistiu en deixar o conxunto transmisor-receptor-PC en funcionamento durante un período prolongado para verificar a calidade do enlace radio, a continuidade de alimentación do transmisor (módulo solar+baterías) e o sistema PC-enlace internet que permite a consulta remota dos datos. Para esta proba, como xa comentamos, o transmisor estaba situado nunha posición próxima ó receptor. Nestas probas detectamos numerosos fallos da rede eléctrica que producían frecuentes interrupcións de funcionamento do PC, polo que dotamos a éste dun SAI que filtrara os fallos máis leves (inda que non pode facer nada fronte a un corte prolongado). Esta mellora foi suficiente para manter en funcionamento continuo o sistema durante prácticamente un mes (agosto 2005).

PROBAS DE CAMPO CON ORDENADOR PORTÁTIL

MONTAXE DO SEGUNDO PROTOTIPO

MÓDULO RECEPTOR USB DETALLE DO CONVERSOR SERIE-USB

PROBAS DE DISTANCIA

DETALLE DO RECEPTOR USB SISTEMA RECEPTOR CON PORTÁTIL

(ó fondo pódese ver o transmisor)

PROBA DE CONTINUIDADE

LOCALIZACIÓN DO TRANSMISOR DETALLE PROTECCIÓN DO SENSOR

(proba de continuidade) (zona de sombra e protexido do auga)

ESTACIÓN RECEPTORA COMPLETA

(SAI e módulo receptor usb enriba da CPU)

PROGRAMA DO PC

pantalla de recepción de datos usb páxina web de presentación de datos

MODIFICACIÓN DO 2º PROTOTIPO (setembro 2005)

Unha vez realizadas as probas do segundo prototipo se procede a introducir as correccións e melloras que permitan o funcionamento estable do sistema e a verificación dos resultados obtidos. Os obxectivos para esta fase son:

– instalación do módulo transmisor na estación meteorolóxica existente, de xeito que os sensores recollan datos en idénticas condicións que os actuais. Posteriormente se verificará a coherencia destes datos para validar o funcionamento do sistema automático.

– instalación do sistema receptor nunha ubicación estable e comprobación do enlace radio en diferentes situacións (especialmente en malas condicións meteorolóxicas).

– Modificación do programa de tratamento de datos para asegurar a integridade de recepción, almacenamento e envío por internet. Se procurará a detección de datos incorrectos ou períodos de recepción nula, reenvío de arquivos e correos en caso de transmisión fallida.

– mellora da páxina web para facilitar a consulta de datos. Presentación de gráficas diarias e mensuais, detección e presentación de máximas e mínimas diarias.

MELLORAS REALIZADAS

– integración do transmisor na caseta actual. Se sitúa a célula solar e antena transmisora no teito da caseta, aproveitandoo como plano de masa para a antena (é de chapa galvanizada). Isto mellora a potencia transmitida e o alcance do enlace.

– mellora do circuito receptor, montando a antena nunha caixa metálica que facilite a recepción.

NOVO MÓDULO RECEPTOR