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Desarrollo de una estación agro-meteorológica automática remota para el
levantamiento de información climática
Geremy Novoa
1
; Kevin Toapanta
2
; Erika Silva
3
; Jorge Yaulema
4
1,
Tecnológico Universitario Vida Nueva – Campus Norte – Carrera de Tecnología Superior en Electromecánica, Quito – Ecuador
2
Tecnológico Universitario Vida Nueva – Campus Norte – Carrera de Tecnología Superior en Desarrollo de Software, Quito – Ecuador
3
Tecnológico Universitario Vida Nueva – Campus Norte – Carrera de Tecnología Superior en Mecánica Industrial, Quito – Ecuador
4
Escuela Politécnica del Chimborazo - Facultad de Ciencias – Carrera de Bioquímica y Farmacia, Riobamba – Ecuador
Resumen: El objetivo del proyecto es optimizar la recolección y transmisión de información
meteorológica, facilitando así la visualización en tiempo real y la generación de datos históricos para
intervenir en las decisiones sobre el uso de los recursos naturales que pueden ofrecer los terrenos
agrícolas en la cuenca del río Pisco. Hay una gran cantidad de estaciones meteorológicas en el mercado,
muchas de ellas de producción cerrada, con limitaciones en cuanto a software y hardware, cuyo
inconveniente es que limita la instalación de cierto tipo de nuevos sensores y software para obtener una
licencia. . El proyecto se desarrolló con el objetivo de crear una estación agrometeorológica con
características similares a las estaciones convencionales, diferenciando su funcionamiento en cuanto al
uso de fuentes abiertas, reduciendo así significativamente los costos. Gracias a la cobertura de la red
GPRS (General Packet Radio Service), los datos se pueden transferir de forma remota a la aplicación en
el servicio de la nube, lo que permite administrar la información y almacenar las lecturas durante un
período de tiempo determinado para la estación agrometeorológica. Con datos puramente analógicos, la
tasa de error puede aumentar significativamente, por lo que es importante incluir un sistema de alarma
si estos valores superan ciertos parámetros o si se pierde la energía de los paneles solares o la energía de
la batería.
Palabras clave: Estación Meteorológica, Servicio en la Nube, GPRS, Datalogger, Panel Solar.
Development of a remote automatic agro-meteorological station for the collection of
climate information
Abstract: The objective of the project is to optimize the collection and transmission of meteorological
information, thus facilitating the visualization in real time and the generation of historical data to
intervene in decisions about the use of natural resources that agricultural land in the basin can offer. of
the Pisco river. There are a large number of weather stations on the market, many of them closed
production, with limitations in terms of software and hardware, the drawback of which is that it limits
the installation of certain types of new sensors and software to obtain a license. . The project was
developed with the objective of creating an agrometeorological station with characteristics similar to
conventional stations, differentiating its operation in terms of the use of open sources, thus significantly
reducing costs. Thanks to the coverage of the GPRS (General Packet Radio Service) network, the data
can be transferred remotely to the application in the cloud service, which allows to manage the
information and store the readings for a certain period of time to the agrometeorological station. With
purely analog data, the error rate can increase significantly, so it is important to include an alarm system
if these values exceed certain parameters or if power from solar panels or battery power is lost.
Keywords: Weather Station, Cloud Service, GPRS, Datalogger, Solar Panel.
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1. INTRODUCCIÓN
Actualmente, existen 3 estaciones meteorológicas
semiprofesionales en la cuenca del río Pisque, y
los datos son recolectados y descargados
manualmente una vez al mes y administrados por
el Laboratorio de Sistemas de Información
Geográfica (SIG) del Centro de Apoyo de la
Universidad Politécnica Salesiana de Cayamba.
Por lo tanto, en esta área es muy importante
desarrollar una estación meteorológica agrícola
automática remota para el sector productivo, los
datos recolectados se envían a Internet a través de
la red GPRS, la estación es de código abierto y se
puede mejorar en cuanto a diseño y
programación., así el sistema de información
geográfica profesional tiene acceso en tiempo real
a los datos para que las personas analicen y
formulen planes tecnológicos de cultivo y
optimicen los recursos naturales para la
agricultura. El proyecto se divide en cuatro
capítulos para lograr los objetivos planteados.
2. METODOLOGÍA
Para este proyecto se usa la metodología en
cascada recibe su nombre de la ubicación de sus
fases de desarrollo, que parecen ir en cascada "a
través de la gravedad" a las siguientes fases, esta
metodología ordena estrictamente las distintas
etapas del proceso de desarrollo de proyectos de
hardware y software, por lo que el inicio de cada
etapa debe esperar a la finalización de la etapa
anterior.
2.1. Planificación
En la primera etapa se recopila información sobre
los antecedentes del proyecto, formulación del
problema, posibles soluciones, objetivos, alcance
y beneficiarios. Después se desarrolla un marco
conceptual que aborda la definición de estaciones
meteorológicas agrícolas, variables medidas y
desempeño de sensores, así como el uso y
generación de alarmas en servicios en la nube.
2.2. Diseño
En esta etapa se diseña e implementa, haciendo
referencia a las características de las estaciones
meteorológicas comerciales y los requerimientos
de los profesionales del laboratorio SIG para
determinar las características de la estructura
mecánica del sensor, sistema de potencia, sistema
electrónico, sistema de comunicación e
instrumentación. , el diagrama de flujo explica el
comportamiento del sistema, el desarrollo de la
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aplicación en el servicio de la nube, la
configuración de alertas y el desarrollo de las
páginas web utilizadas para finalmente mostrar
los datos.
2.3. Evaluación
Finalmente, el prototipo se somete a pruebas
realizando la instalación final evaluando la
funcionalidad del sitio web, la generación de
informes y el almacenamiento de datos en el
registrador de datos, el análisis de optimización
del tiempo y el consumo de datos móviles, las
pruebas de precisión de datos, cálculo de errores
absolutos y porcentuales y conclusiones.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1 Estación Meteorológica Automática EMA
Una estación meteorológica automática (EMA)
usa un dispositivo electrónico llamado datalogger
donde ingresa la señal digital o analógica de los
sensores, los que obtienen datos de medidas
meteorológicas a intervalos de tiempos
configurables, por ejemplo, lluvia, temperatura,
radiación solar, humedad relativa, velocidad y
dirección del viento, presión atmosférica, etc.
Estos datos son procesados y transmitidos a una
memoria o a un sistema de comunicación, estas
funcionan de forma autónoma con un sistema de
alimentación usando paneles solares (Caluña &
Jordán, 2017).
Figura 1. Partes de una Estación Meteorológica
Automática
En la Figura 1 se observan las principales partes
de una estación meteorológica automática cuyas
principales características es ser portátil y de
altura regulable como los sensores, datalogger,
panel solar, etc.
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3.2 Requerimientos de la estación agro-
meteorológica
Basados en las características que presentan las
estaciones meteorológicas comerciales y en los
requerimientos de los profesionales del
Laboratorio de Sistemas de Información
Geográfica del Centro de Apoyo Cayambe de la
Universidad Politécnica Salesiana se definen las
características del proyecto:
- Resistente a la intemperie.
- Estructura portátil y desmontable.
- Estructura adaptable para terrenos
inclinados.
- Sistema de energía con baterías y
panel solar.
- Código abierto que permita cambios y
mejoras.
- Transmisión de datos inalámbricos
usando la red GPRS.
- Visualización de variables
meteorológicas en una página web.
3.3 Diseño Mecánico
Para el diseño de la estructura metálica se busca
satisfacer los requisitos de funcionamiento
descritas anteriormente, la estructura metálica
debe ser desmontable, regulable en altura y
adaptable para terrenos inclinados y con la
posibilidad de ser asegurada en terrenos agrícolas.
Para esto se diseña una estructura metálica
constituida por seis partes:
- 2 parantes metálicos de 2” de 1,50
metros con bases para asegurar en el
terreno.
- 1 parante metálico de 2” de 2,20
metros con bases para asegurar en el
terreno con brazo para sensores.
- 2 soportes triangulares metálicos de 2”
de 1,20 metros por lado.
- 1 caja eléctrica metálica de 0,40
metros de alto, 0,40 metros de ancho y
0,20 metros profundidad IP 41 con
visera de protección contra la lluvia.
Para cumplir con las especificaciones necesarias
para la estructura de la estación meteorológica se
considera el uso de tubos metálicos de 2” para
garantizar su estabilidad debido a que estará
ubicada a la intemperie, se realiza el diseño e
AutoCAD, en la Figura 2 se observa la estructura
terminada con sus dimensiones.
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Figura 2. Dimensiones y vistas frontal
Para tener una estructura desmontable las partes
independientes irán unidas mediante un
acoplamiento en los extremos de la estructura de
forma triangular donde se insertan los tres
parantes, para después regular su altura según las
características del terreno agrícola y ajustarlos
con tornillos, con esto se logra colocar los
instrumentos de medida nivelados.
En la Figura 3 se muestra un escenario de la
instalación en un terreno agrícola con un ángulo
de inclinación, donde con regular uno o más de
los parantes independientes se consigue tener la
estructura nivelada.
Figura 3. Instalación de la estructura metálica en terreno
inclinado.
Las partes se realizan con tubos de acero de 2”, en
la Figura 4 se observa los parantes con bases para
fijación, el soporte triangular desmontado y a su
vez fijada a la caja eléctrica con la visera de
protección para lluvia, todo recubierto con pintura
anticorrosiva brillante para condiciones
climáticas adversas. Se fija los parantes en el
soporte triangular mediante tornillos verificando
que este nivelado, después se instala el segundo
soporte con la caja eléctrica y la visera, para
finalmente colocar el marco que aloja el panel
solar.
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Figura 4. Instalación final de la estructura con sensores.
3.4 Diseño eléctrico - electrónico
Debido a la ubicación del Ecuador respecto a la
línea Ecuatorial y las horas de luz solar se requiere
que dentro del diseño del sistema de alimentación
se considerando la demanda de consumo
requerido por cada componente de la estación, por
lo que se realiza a continuación el cálculo de la
potencia nominal de cada elemento para
determinar la energía diaria consumida:
Tabla 1. Evaluación de la energía consumida por día
Al sumar los valores de energía diaria consumida
de cada dispositivo se puede llegar a determinar
la energía total que requiere la estación y de este
modo seleccionar los elementos que conforman el
diseño fotovoltaico. Una vez conocido el valor de
Energía diaria consumida presentado en la Tabla
1 el cual es de 82W/H, se puede determinar
finalmente el valor de Energía Total que se
requiere acorde a las características de la batería.
Donde:
ET = Energía Total Consumida es el parámetro de
consumo total de la carga. Fg= Factor Global de
Pérdidas (Rango 0.65 – 0.90)
Pp= Potencia pico del panel solar (100W)
Se tomó como factor global de pérdidas 0,9 y los
datos ya definidos se obtiene como resultado
𝑁𝑇
= 0.28. El número total de paneles necesarios para
la provisión de energía solar es de 0.28 (28%), lo
cual demuestra que con una tercera parte de la
capacidad del panel cubre el consumo de energía
requerido.
Tabla 2. Calculo de la capacidad de la batería
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3.4.1 Fuente de Alimentación.
Para suministrar el voltaje a los componentes de
la estación meteorológica se usó el sistema de
carga fotovoltaico dimensionado anteriormente,
este sistema carga una batería con energía solar
mediante el regulador. Para garantizar el voltaje
de funcionamiento a 5 V se usó dos convertidores
de voltaje DC-DC Buck que trabaja con un voltaje
de entrada de 4,5 a 30 V y entrega un voltaje a la
salida de 0,8 a 30 V regulable con una corriente
máxima de 5 A, la conexión del sistema de
alimentación se muestra en la Figura 5.
Figura 5. Conexión de la fuente de alimentación al
regulador de carga.
3.4.2 Programación de datalogger
Mediante el diagrama de flujo general de la Figura
6 se explica cómo se realizó la programación esta
empieza con la definición de librerías y la
declaración de variables, configuración de puerto
serial y software serial para la comunicación con
el módulo SIM 900, se declara los pines donde se
conectó los sensores de la estación agro-
meteorológica, se inicializa el RTC, se compara el
valor de los minutos según la frecuencia de envió
de datos necesaria, se lee los datos de los sensores
y realiza un promedio que se transmite a la
aplicación en el servicio en la nube por la red
GPRS para finalmente almacenar los datos en la
memoria SD con la fecha y hora obtenida por el
reloj de tiempo real.
Figura 6. Diagrama de flujo del datalogger de la estación
agro-meteorológica
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3.4.3 Desarrollo de aplicación en un
servicio en la nube.
Para la visualización de las variables agro-
meteorológicas se usa la red GPRS como medio
de transmisión, en la Figura 7 se muestra el
diagrama funcional donde los sensores se
conectan al microcontrolador para procesar,
promediar y grabar los datos en la memoria micro
SD y a la vez enviar los datos al módulo GPRS.
Figura 7. Diagrama de bloques funcional para la
adquisición y visualización de datos de la estación agro-
meteorológica
Este módulo se comunica la API de Ubidots, y
permite subir, almacenar y visualizar los datos de
los sensores en tiempo real, para finalmente
visualizarlos y analizarlos mediante gráficos en
una página web. Para realizar la conexión con el
servicio en la nube se crea una cuenta con un
nombre de usuario y contraseña en la página
www.ubidots.com, la cual entrega una llave
temporal o TOKEN que se usa para que el
dispositivo pueda ingresar al API de Ubidots.
3.4.4 Pruebas
La página web es realizada para que la
información agro-meteorológica de la cuenca del
Río Pisque sea fácilmente accesible para todo el
público, para acceder a esta información se
ingresa a la dirección
www.redmeteorologicaups.com, como se
muestra en la figura 8.
Figura 8. Diagrama de bloques funcional para la
adquisición y visualización de datos de la estación agro-
meteorológica
- Estación Meteorológica: En esta pestaña
se muestran las características de la
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estación agro-meteorológica además de
fotos relevantes.
- Información: Da información general
sobre las estaciones agro- meteorológicas,
su funcionamiento y aplicaciones para la
agricultura.
- Datos y Gráficas: Se presentan en forma
ordenada el histórico de las variables de la
estación agro-meteorológica visualizadas
en tiempo real y gráficas de estas en
función del tiempo como se muestra en la
Figura 8.
- Indicadores: En esta pestaña se ubican los
valores numéricos relevantes de las
variables climáticas y un botón para
descargar el manual de uso de la estación
agro-meteorológica.
- Contactos: Se indica un formulario para
solicitar soporte técnico, así como
información de contacto.
Para comprobar el funcionamiento del
dispositivo se instaló la estación agro-
meteorológica realizada a 8 metros de una
estación meteorológica comercial de la marca
Davis Vantage Pro2 durante 2 semanas, en la
Figura 9 se muestra el lugar donde se realizó las
pruebas ubicado en la parroquia Olmedo del
cantón Cayambe.
Figura 9 Lugar donde se realizó las pruebas comparativas.
Para validar los datos adquiridos por la estación
agro-meteorológica realizada en este proyecto se
comparan datos a diferentes horas del día con un
intervalo de 30 minutos, se compara la presión
atmosférica, humedad externa, precipitación,
temperatura externa, dirección del viento y
velocidad del viento, se calcula el error absoluto
y el error porcentual en cada medición para
finalmente mostrar el promedio del error.
Tabla 3 Error promedio de las variables comparadas.
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En la Tabla 3 se observa un error del 53.45 % en
la velocidad del viento, debido a presencia de
obstáculos que no permitieron la libre circulación
del aire y a la diferencia de altura en la que estaban
instaladas las estaciones al momento de realizar
las pruebas, sin embargo, existe una tendencia
similar, pero con menor magnitud.
Considerando que en todo el proceso de
recolección de datos existen errores sistemáticos
se evidencia que los valores de error porcentual
promedio se encuentran en un rango aceptable
para los profesionales del Laboratorio de
Sistemas de Información Geográfica del centro de
apoyo Cayambe de la Universidad Politécnica
Salesiana.
4. CONCLUSIONES
- Se realizó la automatización de la estación
agro-meteorológica con el uso de código
abierto, dejando abierta la posibilidad de
mejoras en el software y la compatibilidad
con nuevos sensores y actuadores ya que
el sistema de alimentación fotovoltaico
está sobredimensionado.
- Se comprobó que se puede usar la red
GPRS en la parroquia de Olmedo, sitio
donde se realizó las pruebas y calibración
de sensores y en la comunidad de
Paquiestancia de la parroquia Ayora del
cantón Cayambe lugar elegido para su
instalación final ya que existe cobertura de
las operadoras CNT y Claro.
- Los errores calculados entre la estación
meteorológica implementada y la
comercial tuvieron un promedio de 3%
excepto la de velocidad del viento, debido
a que las estaciones se encontraban en
diferente altura lo que provocó túneles de
viento que alteró los valores en la estación
meteorológica implementada.
- Al contar la estación agro-meteorológica
con un panel solar de 100 W que provee la
energía necesaria para cargar la batería, la
misma que proporciona aproximadamente
15 horas de funcionamiento
ininterrumpido, lo que garantiza su
autonomía.
- El servicio en la nube Ubidots permite
configurar alertas mediante mensajes de
texto, correo electrónico o mensajes a la
aplicación de mensajería móvil Telegram
cuando una variable excede o disminuye
de un rango establecido, en este caso se
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configuró una alerta cuando el nivel de
agua en los tanques de evaporación baje,
lo que indica a los usuarios la necesidad de
llenar los mismos antes que el sensor deje
de funcionar.
5. BIBLIOGRAFIA
• Aguirre, T., & Suárez, R. (2017). Diseño
de una Red de Telemetría para las
Estaciones Meteorológicas de la
Universidad Politécnica Salesiana en la
cuenca del Río Pisque. Quito:
Universidad Politécnica Salesiana.
• Caluña, A., & Jordán, A. (2017). Diseño
e implementación de un sistema de
monitoreo climatico via gprs y
automatizacion de la calibracion del
anillo del piranómetro en la estación
meteorológica-Espoch. Riobamba:
ESPOCH.
• Dirección Técnica de Vinculación con la
Colectividad Centro de Investigación de
la Leche. (2015). Documento de
caracterización de la cuenca del Río
Pisque en el proyecto "Determinación de
la eficiencia del uso del agua en cultivo
de pastos con sistemas comunitarios del
margen izquierdo de la cuenca del Río
Pisque". Cayambe, Pichincha, Ecuador:
Universidad Politécnica Salesiana.
• Fernandez, J. (2010). Compendio de
Energia Solar. Madrid: Ediciones Mundi-
Prensa.
• GeekLand. (5 de Febrero de 2016). ¿Qué
son los servicios en la nube? Obtenido de
https://geekland.eu/que-son-los-servicios-
en-la-nube/
• Gobierno Autónomo de la Provincia de
Pichincha. (2015). Plan de Desarrollo y
Ordenamiento Territorial del Cantón
Cayambe . Cayambe, Pichincha,
Ecuador: Universidad Politécnica
Salesiana.
• Instituto Ecuatoriano Espacial. (2013).
Generación de Geoinformación para la
Gestión del Territorio. Ecuador.
• Montalvo, B. (2014). Prototipo
Didáctico de una Estación
Meteorológica Monitoreada a Distancia.
México.
• Rodríguez, C. (2013). Sistema
Automático de Monitoreo Remoto de
Variables Meteorológicas. México.
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48
• Sánchez , J. (2005). Análisis y Estudio de
Redes GPRS. Valdivia.
• SIMCOM. (s.f.). SIMCOM.EE smart
machines, smart decision. Recuperado el
6 de Noviembre de 2017, de
http://simcom.ee/modules/gsm-
gprs/sim900/
• Telefonica. (s.f). Movistar España.
Recuperado el 12 de Noviembre de 2017,
de Tutorial de nombres de
dominios de internet:
http://www.movistar.es/rpmm/estaticos/n
egocios/fijo/servicios-sobre-
adsl/manuales/tutorial-dominios.pdf
• Ubidots. (2014). Introducción: Internet de
las Cosas con Ubidots.
https://ubidots.com/docs/es/get_started/in
troduccion.html
• Universidad San Ignacio de Loyola, C.
(s.f.). Meteorología y Climatología.
