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Estación meteorológica
Presentación
La puesta en práctica de los componentes electrónicos como se ha visto anteriormente permite descubrir las posibilidades de la Raspberry Pi, su GPIO y la programación en Python.
La realización de un proyecto real confronta al usuario con el uso de componentes o de conjuntos concebidos para una función particular. Una buena manera de iniciarse con detectores reales es crear una estación meteorológica.
La estación que se propone aquí está basada en módulos baratos para facilitar la adquisición por parte de particulares o centros educativos. El precio reducido no afecta a la calidad de las medidas, necesita una adaptación de los programas de tratamiento.
El proyecto de estación meteorológica es evolutivo, se puede empezar por los detectores de temperatura, presión y humedad, y luego ampliar las capacidades de medida a la velocidad del viento, su dirección y la pluviometría. Las medidas de radiación solar y de calidad del aire también serían extensiones posibles, pero no se abordarán en este libro.
Los GPIO usados son idénticos a los que se utilizan en el proyecto de estación meteorológica publicado por la Fundación (https://projects.raspberrypi.org/en/projects/build-your-own-weather-station). Esto le permitirá pasar fácilmente de un proyecto a otro.
Especificaciones
Uno de los parámetros importantes en la realización de un proyecto de estación meteorológica es la elección del intervalo de tiempo entre las medidas. Existen muchos recursos disponibles en líne a con valores variables en función de la elección del autor y de los datos que juzgue importantes.
Para este proyecto se ha elegido:
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mostrar los datos en modo texto,
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medir todos los parámetros P/H/T/(QA) cada 5 minutos,
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medir la media del viento cada 5 segundos,
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extraer la velocidad media del viento de los 5 minutos de medida,
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medir la dirección del viento cada 5 segundos,
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extraer la media de la dirección del viento de los 5 minutos de medida,
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medir la altura de la lluvia cada 5 minutos,
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acumulación diaria de la altura de la lluvia,
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los programas tienen que ser simples y fáciles de leer.
Cada uno podrá modificar estos parámetros para adaptarlos a sus necesidades, lo que implicará modificar las partes del script correspondientes.
Abrigo Stevenson
La medida de los parámetros atmosféricos (presión, temperatura y humedad) se hace en un abrigo o garita meteorológica también llamado abrigo Stevenson.
Esta caja se utiliza para proteger los instrumentos de medida contra las precipitaciones y las radiaciones solares directas permitiendo a la vez la libre circulación del aire alrededor de los instrumentos de medida.
Idealmente se trata de un abrigo de madera pintado de blanco, dotado de persianas dobles, de un suelo de madera con las láminas separadas y de un doble techo con una chimenea que permite la libre circulación del aire. Está instalado a una altura de entre 1,25 m y 2 m encima de un césped bien cuidado y a distancia de cualquier objeto (el doble de la altura del abrigo).
Existen versiones recientes de garita artesana formada con platos de plástico blanco, o de otro color, utilizados por los aficionados en los montajes caseros. El de la foto de arriba ha sido realizado a partir de los platos de plástico que se ponen debajo de las macetas de flores de 24 cm de diámetro (http://wiki.meteoclimatic.net/wiki/Garita_artesana). También existen versiones que se pueden imprimir en 3D. Son más pequeñas y sobre todo más baratas que las garitas de madera. Se usará un modelo de este tipo para la estación meteorológica.
Temperatura, humedad y presión
1. Principio
a. Temperatura, humedad y presión
La medida de temperatura, humedad y presión será confiada a un circuito BME680. Este circuito ha sido desarrollado para aplicaciones móviles. Se trata de una caja metálica que combina captadores individuales ultra miniaturizados MEMS (Micro-Electro-Mechanical System, sistemas microelectromecánicos)
Licencia CC BY 2.0 Sparkfun
El BME680 se sitúa en el centro de la tarjeta que se muestra arriba. Se trata de una cajita metálica de 3x3 mm con una abertura que permite que los detectores puedan medir los valores.
El BME680 contiene los detectores siguientes:
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Temperatura (de 0 a 65 °C ± 1 °C)
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Humedad relativa (de 20 a 80% ± 3 %)
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Presión atmosférica (± 0,12 hPa es decir ± 1 m)
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Compuestos orgánicos volátiles (VOC) (de 0 a 100 % ± 15 %)
El rango de temperatura de uso es más amplio (de -40 °C a +85 °C), pero las temperaturas negativas así como las temperaturas de más de 65 °C serán menos precisas.
b. Compuestos orgánicos volátiles
Si la temperatura, la humedad relativa y la presión atmosférica son medidas clásicas, la medida de los compuestos orgánicos volátiles en el aire es menos habitual.
Este detector contiene una capa de óxido metálico muy porosa y granulada calentada por un filamento. La corriente eléctrica que circula en el óxido metálico encuentra una resistencia elevada.
En un aire “normal”, el óxido metálico está rodeado mayoritariamente de oxígeno (02). Tiene poca interacción y la resistencia es elevada. Un aire contaminado que contiene VOC provoca reacciones de tipo REDOX (reducción-oxidación) en la superficie del óxido metálico. Estas reacciones producen gas carbónico (CO2) y agua (H20). Esto conlleva una modificación de la resistencia eléctrica medida. El valor de la resistencia disminuye de manera previsible (en función de la temperatura y de la humedad).
La presencia de este elemento calentador obliga a alcanzar la estabilización térmica del detector. Esto tomará algunos minutos cuando el detector ya haya sido usado. Durante el primer...
Anemómetro
1. Principio
El anemómetro es un aparato que permite medir la velocidad del viento. Existen muchas variantes. Entre los que más fácilmente se pueden usar para una estación meteorológica, se encuentra el modelo de cazoletas que es el más corriente.
Se usará este modelo para la estación meteorológica. Se encuentra en sitios de venta en línea como pieza de recambio (spare part) para las estaciones meteorológicas de origen asiático. Para detectar el giro de las cazoletas, está equipado de un interruptor de lengüeta o reed switch.
2. Interruptor de lengüeta
Un interruptor de lengüeta (o reed switch) es un interruptor magnético constituido por una ampolla de vidrio que contiene una atmósfera inerte y dos lengüetas flexibles (generalmente doradas en sus extremidades) muy ligeramente separadas. Estas lengüetas son magnetizables y elásticas.
Interruptor de lengüeta - Foto CC BY-SA 2.5 André Karwath
Cuando se acerca un imán, las lengüetas se juntan y se tocan. El contacto se cierra. Cuando el imán se separa, el interruptor se abre. Encontramos este tipo de material en los detectores de apertura de puerta en los sistemas de alarma.
En la imagen de arriba se muestra el interruptor de lengüeta presente en el cuerpo del anemómetro. Estos interruptores son muy fiables y tienen una duración elevada, del orden de 10 millones de ciclos de apertura/cierre.
3. Funcionamiento
El rotor del anemómetro soporta 3 cazoletas empujadas por el viento. Un imán está pegado a la parte inferior del rotor. En cada vuelta del rotor, el interruptor de lengüeta es activado dos veces por el imán. El manual del anemómetro indica que un viento de 2,4 km/h provoca un cierre del contacto por segundo.
4. Conexiones del anemómetro
El anemómetro (como todos los detectores usados en este libro) se envía cableado con una toma RJ11 (foto de arriba). Se trata de una toma idéntica a la toma RJ45 utilizada para hacer conexiones de redes Ethernet, pero solamente posee 6 contactos. En el anemómetro solamente se usarán los dos contactos centrales. Llevan los números 3 y 4 y corresponden a cada extremidad del interruptor de lengüeta.
Para esta realización, la toma RJ11 se ha conservado...
Pluviómetro
1. Principio
El pluviómetro está compuesto por un depósito destinado a recibir la lluvia. Un agujero en el centro del depósito permite que el agua fluya hacia el interior del depósito.
Habrá que vigilar que el agujero del depósito no se obstruya, o que no haya insectos que elijan su domicilio allí, porque la medida será falseada o incluso imposible de hacer.
El depósito está provisto de un nivel de burbuja que habrá que ajustar de la mejor manera posible llevando la burbuja al centro del círculo. Esto permite tener la superficie superior paralela al suelo y la báscula bien equilibrada, para obtener medidas más precisas.
En el interior del depósito, una balanza formada por dos cucharas se llena cuando el agua gotea. También se le llama pluviómetro de cucharilla basculante. Se puede usar hasta alrededor de 250 mm de lluvia por hora.
Para desmontar el depósito, hay dos clips en los lados. Basta con presionar y levantar el depósito. Esto permite después volcar los depósitos manualmente para las comprobaciones.
2. Funcionamiento
En la imagen de arriba se va a llenar el depósito de la izquierda. Cuando el depósito se llene, el peso del agua aumentará hasta hacer pivotar la parte central. Entonces será el depósito derecho el que estará bajo el agujero de la parte superior. Este se llenará hasta que pivote. Debajo de los depósitos, en cada lado, hay agujeros que permitirán que el agua se evacúe.
En la parte vertical trasera se encuentra un interruptor de lengüeta. La parte central de la balanza contiene un imán. Cada vez que pivota, el imán pasa por delante del interruptor de lengüeta y provoca un impulso al pasar.
El constructor indica que cada vez que caen 0,2794 mm de lluvia, la parte central del pluviómetro pivota y provoca un impulso. Basta con contar el número de impulsos en un tiempo dado para calcular la cantidad de agua caída.
3. Cableado del pluviómetro
Conecte el pluviómetro a la toma marcada RJ11 Pluviómetro en el esquema de debajo. Los contactos del interruptor de lengüeta del pluviómetro están disponibles en el conector Grove superior. La señal (hilo blanco) está conectada al GPIO 6 (pin 31)...
Veleta
1. Presentación
La veleta es un aparato destinado a indicar la dirección de procedencia del viento. Está constituida por un sistema rotativo disimétrico que presenta una punta y una placa que se alinea en la dirección del viento. La punta indica de dónde viene el viento.
En las veletas mecánicas antiguas, los puntos cardinales estaban indicados en una cruz colocada debajo de la veleta. Las veletas modernas tienen un sistema electrónico que envía el valor recogido a una pantalla. Habrá que posicionar la veleta para que las indicaciones correspondan a los valores reales.
La veleta utilizada aquí es el modelo asociado al anemómetro. Está equipada en su parte inferior con una toma RJ11 destinada a recibir el conector del anemómetro que se ha visto anteriormente.
El cable que sale de la veleta llevará dos señales (anemómetro + veleta) hacia la tarjeta Dev-Lex.
2. Principio
La veleta está equipada con 8 interruptores de lengüeta. El eje de la veleta lleva un imán que gira por encima de los interruptores. Cada interruptor está conectado a una resistencia. Cuando la dirección coincide exactamente con la posición de un interruptor, éste establece un contacto y conecta una resistencia. Cuando el imán se encuentra entre 2 interruptores, los dos interruptores se activan y conectan las dos resistencias en paralelo.
La veleta presenta para un circuito externo una resistencia cuyo valor depende de la dirección del viento, es decir del ángulo de rotación de la veleta con respecto a su origen, posicionado por convención en el Norte (0 grados).
Los valores de resistencia en función de la dirección están indicados en la tabla siguiente.
Ya que la veleta se ve como una resistencia, vamos a tener que crear un punto divisor para poder recuperar una tensión que será función del ángulo de rotación. La resistencia exterior estará conectada a los +3,3 V. La tabla de aquí debajo da los valores de resistencia de la veleta. El valor se encuentra calculando el valor resultante de la puesta en paralelo.
Por ejemplo, en el Norte, la resistencia vale 33 kΩ y a 45 grados (NE) vale 8200 Ω. Cuando la veleta se encuentra entre los dos (NNE es decir 22 grados), la resistencia...
Proyecto 6: Estación meteorológica
1. Enfoque progresivo
Después de haber comprobado cada equipo por separado, ahora se pueden conectar todos los componentes para constituir una estación meteorológica completa.
La etapa anterior era importante porque permitía comprender el funcionamiento de los materiales y asegurarse del buen funcionamiento individual de los scripts asociados.
Este enfoque progresivo es importante en los proyectos donde se agrupan distintas funciones. Cuando el proyecto está realizado directamente en su totalidad y no funciona, a menudo es difícil localizar el problema.
Con este método, cada subconjunto está comprobado y verificado, se comprueban los scripts. Si el proyecto final no funciona, solamente habrá que buscar el problema en el montaje de los diferentes scripts.
2. Análisis de medidas
La estación meteorológica da acceso a los valores siguientes:
Una medida cada 5 minutos proporciona 12 conjuntos de datos por hora, es decir 288 cada día, lo que es más que suficiente para trazar las curvas de evolución. Los servicios meteorológicos guardan las observaciones cada hora en las estaciones principales y cada seis horas en las estaciones climatológicas.
Será sencillo modificar la periodicidad de las medidas en función de las necesidades, las duraciones se encuentran presentes bajo forma de variable al principio del script.
3. Conexión de los elementos
La conexión de los elementos de la estación meteorológica retoma los esquemas vistos anteriormente. El uso de la tarjeta RasPiO Analog Zero bloquea el conector GPIO de la Raspberry Pi. La tarjeta RasPiO posee una fila de conectores que dan acceso a la totalidad de los puertos GPIO. Bastará con conectar los aparatos a esta fila de conectores.
El anemómetro está conectado en el conector RJ11 hembra de la veleta. La veleta y el anemómetro están conectados al conector RJ11 de la tarjeta Dev-Lex. El pluviómetro está conectado a otro conector RJ11 de la tarjeta Dev-Lex. El orden de estas conexiones es importante porque el conector inferior en el esquema de arriba está previsto para recibir dos dispositivos y para separar las señales. Las salidas (hilos blancos) de los conectores Grove están conectadas de arriba a abajo a los GPIO5...