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Prototipo de unidad meteorológica integral para monitoreo remoto y análisis de sistemas de energíarenovables
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CENTRO DE INVESTIGACION ENMATERIALES AVANZADOS, S.C.
DEPARTAMENTO DE ESTUDIOS DE POSGRADO
“PROTOTIPO DE UNIDAD METEOROLÓGICA INTEGRAL PARAMONITOREO REMOTO Y ANALISIS DE SISTEMAS DE
ENERGIAS RENOVABLES.”
T E S I SCOMO REQUISITO PARA OBTENER EL GRADO DE
Maestro en Energías Renovables
PRESENTA:
Juan Manuel Sosa Sosa
Generación2011-2013
Director de TesisMC. Pedro Piza Ruiz (CIMAV)
Nuevo Laredo Tamaulipas Junio de 2014
Prototipo de unidad meteorológica integral para monitoreo remoto y análisis de sistemas de energíarenovables
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CENTRO DE INVESTIGACION ENMATERIALES AVANZADOS, S.C.
DEPARTAMENTO DE ESTUDIOS DE POSGRADO
AGRADECIMIENTO
A el MC. Pedro Piza Ruiz por su soporte durante mi real ización del
proyecto de tesis.
A el Dr. José Alberto Duarte Möller por su aporte al proyecto y su
confianza en mi persona por concluir el trabajo.
A la Universidad Tecnológica de Nuevo Laredo por haberme
tomado en cuenta y dado la oportunidad de realizar mis estudios
de Maestría.
A mis maestros del Centro de Investigaciones de materiales
Avanzados (CIMAV) por su incondicional apoyo y compartir sus
conocimientos con su servidor.
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DEDICATORIA
A mi esposa María de Jesús por su incondicional apoyo y por su
invaluable labor al f rente de la familia.
A mis hijos Julián Israel, Darío Antonio, Ciara y Denzel que son mi
inspiración para seguir adelante.
A mi Madre, y hermanas, Leticia y Ana María, por alentarme y
motivarme a conseguir el objet ivo.
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Resumen
El propósito de este proyecto es realizar una estación meteorológica con
el fin de evaluar el recurso eólico en la región, ya que se tienen datos de
estudio en regiones vecinas colindantes con otras entidades y no se han hecho
estudios serios en esta región de la entidad. Un agregado es relacionar el
recurso eólico con evaluación de energía generada con un aerogenerador.
Para lograr esto se procedió a implementar un sistema que cumpliera con la
confiabilidad de la toma de datos así como la suficiente robustez para
comunicarlo inalámbricamente a distancia, utilizando los dispositivos más
populares en el mercado para que el sistema pueda ser reproducible por
cualquier persona.
Para llevar a cabo el trabajo se escogió el microcontrolador ARDUINO por ser
uno de los más populares en el mundo, por ser fácil de programar y tiene
muchas aplicaciones.
Para el enlace de los dispositivos se utilizaron ZIGBEES que tienen mucho
rango de operación, ya que la estaciones que existen comercialmente, por lo
regular solo cubren unos 100 m. con este dispositivo se pretende cubrir al
menos 400m.
Para ser representados los datos en la pantalla de la computadora se utilizó la
plataforma LABVIEW en su versión 2012, que integra la función datalogger o
bitácora, registrando la información en un archivo de texto (.txt), para su
posterior análisis.
Los dispositivos fueron proporcionados por CIMAV, para la realización del
proyecto, esta torre meteorológica ha sido utilizada estudiantes de la
Universidad Tecnológica de Nuevo Laredo en su materias de Estaciones
meteorológicas y Diseño de proyectos de turbo energía en la colección de
datos eólicos para el estudio de vientos.
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ABSTRACT
The purpose of this project is to make a weather stat ion in order to
evaluate the wind resource in the region, since the study data are
bordering neighboring regions and not others have made serious
studies in this region of the state. An aggregate is related to the
wind resource evaluation with a wind energy generated.
To achieve this, we proceeded to implement a system, that meets
the rel iabi l ity of data collection and robust enough to communicate
wirelessly at a distance, using the most popular devices on the
market to enable the reader to repeat the procedure.
To carry out the work, ARDUINO microcontrol ler was chosen as
one of the most popular in the world, being easy to program and
has many applications.
For connecting devices are used ZIGBEES which have much
operating range , since the stat ions are usually cover only about
100 m. with this device is intended to cover at least 400 m .
Data to be represented in the computer screen, LABVIEW platform
was used in the version 2012, so how to manipulate the data to be
recorded in a text f i le.
The devices were provided by CIMAV, for the realization of the
project, this meteorological tower has been used too by students in
Technological University of Nuevo Laredo in subjects “Weather
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Stations” and “Design of turbo power projects” taking wind data
collection for the study of winds.
INDICE DE CONTENIDO
CAPITULO I
INTRODUCCIÓN….………………………………………………..…….pág. 8
1.1 Antecedentes………………………………....…………….………...pág. 8
1.2 Contexto…….……………………………..…………………………...pág. 9
1.3 JUSTIFICACIÓN…………………….……….……….…………….…pág. 9
1.4 HIPOTESIS……………..……………………………………………...pag.11
1.5 Objetivo General………………………….……………………………pág. 11
1.6 Objetivos Particulares…………………………………………….……pág. 12
CAPITULO II
2.1 CONCEPTOS…….………………....................................................pág. 12
2.1.1 Muestreo de variables atmosféricas……………..…………………pag. 12
2.2 Problema..........................................................................................pág. 22
2.3 Participantes.....................................................................................pág. 23
2.4 Población…………………………… ..………………………………..pág. 23
2.5 Muestra…………………………………..…………………………..…..pág. 23
CAPITULO III
METODOLOGÍA...................................................................................pag. 24
3.1 Obtención de datos para la realización del proyecto.......................pág. 24
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3.2 Instalación de Estación meteorológica Torre 1………………………pag. 25
3.3 Elaborar programa de adquisición de datos para ARDUINO……...pag. 27
3.3.1 Sensor de velocidad del viento…………..……………...….………pag. 27
3.3.2 Sensor de dirección del viento…………………...………………....pag. 31
3.3.3 Sensor de Temperatura y humedad………………………………..pag. 33
3.4 Aprender a configurar Zig Bees……………………...………………..pag. 38
3.5 Medidor de energía producida del aerogenerador…………….……pag. 47
3.6 Elaborar programa exhibidor y registro LABVIEW…………………..pag. 49
3.7 Configurar conexión a RED y publicar en página WEB…………….pag. 56
3.8 Configuración de la red local…………………………………………..pag. 59
CAPITULO IVRESULTADOS......................................................................................pág. 63
4.1.- Análisis estadístico del sistema implementado.............................pág. 63
4.1.1 Análisis de velocidad del viento....................................................pág. 67
4.1.2 Análisis de Dirección del viento……………………………………..pág. 69
4.2 Datos obtenidos del aerogenerador…………………………………..pág. 71
CAPITULO VCONCLUSIONES.......................................................... ........................pág. 72
CAPITULO VIRECOMENDACIONES..........................................................................pág. 74
CAPITULO VIIANEXOS……….....................................................................................pág. 75
CAPITULO VIIIREFERENCIAS.....................................................................................pág. 89
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CAPITULO I
INTRODUCCIÓN
1.1Antecedentes
Cuando se plantea hacer un estudio de vientos, para la evaluación de un
sitio, donde se contemple la generación de energía eléctrica, debe de
realizarse un monitoreo de las variables climatológicas como la velocidad del
viento y la dirección de este, para ver el potencial aprovechable, durante un
tiempo determinado.
Para el monitoreo de estas variables debe buscarse un lugar donde se tenga el
mínimo de obstáculos del viento, una vez ubicado debe de tener un radio libre
alrededor de 2 veces la altura de los sensores.
Por lo general las mejores ubicaciones están fuera de alcance de los paneles
exhibidores de datos y registradores.
Para resolver este inconveniente se plantea la utilización de un sistema
desarrollado por uno mismo empleando los dispositivos más populares del
mercado.
El sistema de recolección de información meteorológica deberá estar en un
lugar adecuado junto con los diferentes sensores que permiten medir las
distintas variables del clima en un momento y lugar determinado, es decir en
un lugar que permita la observación de los fenómenos meteorológicos y donde
estarán los sensores (termómetro, higrómetro, veleta, anemómetro, etc.),
encargados de medir las variables atmosféricas (temperatura, humedad,
dirección y velocidad del viento, respectivamente).
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Estos sensores han de estar al aire libre, pero han de estar protegidos de las
radiaciones solares para que estas no les alteren los datos, el aire debe
circular por su interior como sucede con el higrómetro. El sistema se encargara
de recolectar, procesar y transmitir vía RF a un receptor remoto para ser
registrados en LABVIEW para finalmente ser publicados en una página WEB.
1.2 ContextoEn el año 2002, se efectuó el proyecto de creación a la Universidad
Tecnológica de Nuevo Laredo. Su objetivo era proporcionar educación
profesional a los jóvenes, de ambos sexos, con el afán de que se sumaran a la
nueva etapa que vivía la ciudad, etapa en la que se exigen mayores
conocimientos; y al mismo tiempo creación de nuevas oportunidades para que
estos jóvenes se quedaran en el mismo puerto para engrandecer y modernizar
la planta ya instalada y encontrar nuevas formas de progreso y bienestar.
La creación de la Universidad Tecnológica de Nuevo Laredo, no se realizó al azar,
sino que especialistas trabajaron en un estudio de factibilidad que tuvo como
propósito fundamentar, de acuerdo con su pertinencia, la creación de esta
institución educativa. La Universidad Tecnológica de Nuevo Laredo (UTNL)
ofrece las ingenierías en: Logística Internacional, en Desarrollo e Innovación
Empresarial, en Mecatrónica y en Mantenimiento Industrial, además de ofrecer
las carreras de Técnico Superior Universitario en: en Energías Renovables
Calidad y ahorro de energía), en Mecatrónica (Automatización), en
Mantenimiento (Instalaciones), en Operaciones Comerciales Internacionales en
Clasificación Arancelaria y Despacho Aduanero, en Desarrollo de Negocios
(Logística y Transporte), y en Desarrollo de Negocios (Mercadotecnia).
Contando actualmente con 1,851 alumnos ofreciendo sus servicios desde el
2002.
1.3 JUSTIFICACIÓN
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Las estaciones meteorológicas ya existen, pero no ofrecen la
flexibilidad de adaptación a las necesidades que los investigadores necesitan,
ya que estas vienen con rangos de alcance restringidos y no se adecuan a las
distancias que las normas exigen para el emplazamiento de estaciones
meteorológicas y se colecten datos de calidad para futuras decisiones en la
creación de parques eólicos que aquí hacen mucha falta.
Además se tiene un aerogenerador en el cual se desarrollara el monitoreo de
la energía generada, con el recurso eólico existente, y midiendo la potencia de
consumo se puede obtener la eficiente del sistema completo, esto se logrará
con la implementación de los mismos recursos tecnológicos.
Una vez que se estudió en CIMAV la especialidad de eólica, surgió la
necesidad de retomar la estación meteorológica pues no se tenían datos de las
condiciones meteorológicas en la localidad, así que se compró otra de la
misma marca, en el mismo lugar, hasta el mismo precio, esta es la
WEATHERWISE INSTRUMENTS modelo inalámbrico con baterías recargables
con panel solar.
Fig 1.1 Juego de sensores. Fig. 1.2 Panel touch monitor.
Esta estación fue utilizada en la clase de “Diseño de proyectos de turbo-
energía” que imparto desde hace un año, y me sirvió para que los alumnos
practicarán con ella.
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Esta estación tiene el inconveniente que solo cubre 300 pies en plano abierto,
lo que crea el problema de posicionarla donde es requerida, ya que el
emplazamiento, debe estar en un lugar lejos de los edificios y a una altura
mínima de 10 ms.
Las variables a medir y los instrumentos utilizados serán los siguientes:
Velocidad del viento (anemómetro de copas)
Dirección del viento (de resistencia variable)
Humedad y temperatura DHT11
Sensor de corriente ACS758PCB050U.
Y sean transmitidos en RF por medio de tecnología ZEEG-BEE, este tiene un
alcance de 400 ms. A su receptor (otro ZEEG-BEE), conectado a una PC que
por medio de LABVIEW, colectará los datos en tiempo real, estos datos a su
vez serán colocados en una página WEB, solo con este propósito, de guardar
los datos para que sean públicos a futuros emprendedores que deseen hacer
proyectos eólicos en la región.
1.4 HIPOTESIS
Con el proyecto concluido se tendrían siempre datos de la condiciones del
ambiente, registrado en un archivo que se guardará en una PC. Los datos
tendrían una confiabilidad de un 95%, esto comparándolo con una estación
comercial. Las condiciones climatológicas estarán a la vista del público en una
página de internet. Los datos se estarían guardando en un largo plazo para
que sean históricos y se vean las tendencias temporales en la región.
1.5 Objetivo General
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Desarrollar un prototipo experimental integral para el monitoreo y registro
del medio ambiente en la universidad Tecnológica de nuevo Laredo, utilizando
sensores comerciales y la recolección de las variables por medio de un micro
controlador ARDUINO, y un sistema de enlace RF por medio de tecnología
ZIG-BEE para cubrir una distancia de al menos 400m, para posteriormente
guardar los datos utilizando una PC y el programa LABVIEW que muestra los
resultados y los escribe en una página WEB.
1.6 Objetivos Particulares
o Emplazar 2 torres de monitoreo, una convencional y la otra con las mejoras
propuestas.
o Recolección de datos por un tiempo relativo para hacer comparaciones de
las dos.
o Recolección de datos de potencia producida por el aerogenerador AIR40 de
SOUTHWEST WINDPOWER .
o Analizar resultados obtenidos de las tres fuentes, torre 1, torre 2 y
aerogenerador, utilizando una herramienta estadística, para evaluar la
experimental.
CAPITULO II
2.1 Conceptos
2.1.1 Muestreo de variables atmosféricas.
La recolección de las muestras se hará mediante los sensores siguientes:
Velocidad del viento: Anemómetro
Los anemómetros pueden ser de copas o de hélice, el anemómetro de copas
consiste en tres o cuatro copas montadas simétricamente alrededor de un eje
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vertical (Fig. 2.1), debido a que la fuerza que ejerza el aire en el lado
cóncavo es mayor que en el lado convexo, la rueda de copa gira. La velocidad
de rotación es proporcional a la velocidad del viento.
Fig. 2.1. Anemómetro de copas (WEATHERWISE INSTRUMENTS)
Dicha rotación puede medirse de varios modos: contando mecánicamente el
número de revoluciones, uno conectando el eje de la rueda de copas a un
pequeño generador eléctrico y midiendo el voltaje instantáneo, o con un
interruptor opto eléctrico o de efecto Hall.
El anemómetro utilizado es de tres copas semiesféricas, siendo los de este tipo
los más utilizados, la principal ventaja de los anemómetros de copas es que
miden las dos componentes horizontales del viento es decir si se coloca en
posición horizontal o vertical.
En todos los anemómetros de rotación es necesario disponer de un sistema
que mida la velocidad de giro, para ello se suelen utilizar dinamos taco métrico,
generador de imanes permanentes, sensores de efecto Hall y sensores
ópticos. Los de dinamo taco métrico y el generador de imanes permanentes no
necesitan alimentación exterior, sin embargo los sensores de efecto Hall y los
sensores ópticos necesitarán alimentación exterior, por lo que no son
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recomendables para torres meteorológicas remotas alimentadas por pilas o
baterías.
El sensor utilizado en la implementación de este sistema es de tipo efecto
HALL que se comporta como un interruptor, por cada vuelta que da ingresa un
pulso hacia el micro controlador.
Dirección del viento: Veleta de resistencia variable
El elemento empleado tradicionalmente para medir la dirección del viento es
una veleta, como se puede apreciar en la Fig. 2.2.
Fig. 2.2 Veleta (WEATHERWISE INSTRUMENTS)
Consiste en un dispositivo montado sobre un eje vertical y de giro libre, de tal
modo que puede moverse cuando el viento cambia de dirección. Normalmente,
el movimiento de la veleta está amortiguado para prevenir cambios demasiado
rápidos de la dirección del viento, la veleta suele transmitir la información
mediante un potenciómetro de hilo bobinado o un potenciómetro capacitivo,
habitualmente proporcionan la máxima tensión para la dirección norte y la
mínima alrededor de 357º, por lo que hay un pequeño hueco de 3º. La
resolución típica es de 0.3 º por cada movimiento nos muestra la dirección
actual en la pantalla, para visualizar esta información y asegurarnos que sea
real, la veleta debe estar correctamente orientada durante su instalación en el
exterior con dirección norte antes de empezar a recolectar datos. Para una
orientación precisa se utiliza una brújula o un GPS, la diferencia entre una
buena y una mala veleta suele estar en el transductor potenciométrico que
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mide el giro angular. Un transductor de mala calidad tiene una banda muerta
bastante grande en el norte y una vida limitada.
Temperatura y humedad relativa: Sensor DHT11
Los sensores DHT11 son unos pequeños dispositivos que nos permiten medir
la temperatura y la humedad. A diferencia de otros sensores, éstos los
tendremos que conectar a pines digitales, ya que la señal de salida es digital.
Llevan un pequeño microcontrolador interno para hacer el tratamiento de señal.
Los DHT11 se componen de un sensor capacitivo para medir la humedad y de
un termistor. Ambos sensores están calibrados por lo que no es necesario
añadir ningún circuito de tratamiento de señal. Esto sin duda es una ventaja
porque nos simplifica el desarrollo. Este integrado tiene un margen de error de
3%.
Este sensor (Fig. 2.3) indica la cantidad de vapor de agua presente en el aire,
depende en parte de la temperatura, ya que el aire caliente contiene más
humedad que el frio, este sensor nos mide la humedad relativa expresada en
tanto por ciento (%) de vapor de agua en el aire, por cada variación de
humedad nos presenta una variación de voltaje a la salida de circuito, este
sensor requiere de alimentación externa.
El sensor funciona con ciclos de operación de duración determinada (1s en el
caso del DHT11). En este tiempo, el microcontrolador externo (Arduino por
ejemplo) y el microcontrolador que lleva integrado el sensor, se hablan entre sí
de la siguiente manera:
El microcontrolador (Arduino) inicia la comunicación.
El sensor responde estableciendo un nivel bajo de 80us y un nivel alto de
80us.
El sensor envía 5 bytes.
Se produce el handshaking, en el que el DHT11 transmite sus datos al
microcontrolador.
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Fig. 2.3 Sensor de temperatura y humedad DHT-11.
Controlador: ARDUINO UNO
El monitoreo de los sensores se decidió en usar el ARDUINO (Fig. 2.4) que es
una plataforma de electrónica abierta para la creación de prototipos basada en
software y hardware flexibles y fáciles de usar. Arduino puede tomar
información del entorno a través de sus pines de entrada de toda una gama de
sensores y puede afectar aquello que le rodea controlando luces, motores y
otros actuadores. El micro-controlador en la placa Arduino se programa
mediante el lenguaje de programación Arduino (basado en Wiring) y el entorno
de desarrollo Arduino (basado en Processing). Los proyectos hechos con
Arduino pueden ejecutarse sin necesidad de conectar a un computador, si bien
tienen la posibilidad de hacerlo y comunicar con diferentes tipos de software.
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Fig. 2.4 Micro-controlador ARDUINO UNO.
Sistema de enlace: Sistema inalámbrico ZIGBEE
ZigBee es un estándar de comunicaciones inalámbricas diseñado por la
ZigBee Alliance. No es una tecnología, sino un conjunto estandarizado de
soluciones que pueden ser implementadas por cualquier fabricante. ZigBee
está basado en el estándar IEEE 802.15.4 de redes inalámbricas de área
personal (wireless personal area network, WPAN) y tiene como objetivo las
aplicaciones que requieren comunicaciones seguras con baja tasa de envío de
datos y maximización de la vida útil de sus baterías.
Xbee Shield
La Xbee shield permite a una placa Arduino comunicarse de forma inalámbrica
usando Zigbee. Está basada en el módulo Xbee de MaxStream (Fig. 2.5). El
módulo puede comunicarse hasta 100ft (30 metros) en interior o 300ft (90
metros) al aire libre (en visión directa). Puede ser usado como reemplazo del
puerto serie/usb o puedes ponerlo en modo de comandos y configurarlo para
una variedad de opciones de redes broadcast o malladas. La shield tiene pistas
desde cada pin del Xbee hasta un orificio de soldar. También provee
conectores hembra para usar los pines digitales desde 2 hasta 7 y las entradas
analógicas, las cuales están cubiertas por la shield (los pines digitales de 8 a
13 no están cubiertos por la placa, así que puedes usar los conectores de la
placa directamente). Ver el esquema técnico del XBEE (Fig. 2.6)
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Fig. 2.5 XBEE de MaxStream.
Fig. 2.6 Esquemático del XBEE de MaxStream.
¿Qué es LabView?
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Para todos los estudiantes de Ingeniería, este programa en este tiempo es muy
importante usarlo, ya que tiene miles de aplicaciones de uso, desde proyectos
sencillos hasta el uso en la industria, es un revolucionario entorno de desarrollo
gráfico con funciones integradas para realizar adquisición de datos, control de
instrumentos, análisis de medida y presentaciones de datos (Fig. 2.7).
A diferencia de los lenguajes de propósito general, tiene funciones específicas
para acelerar el desarrollo de aplicaciones de medida, control y
automatización.
También proporciona herramientas muy potentes para crear aplicaciones sin
líneas de código. Se pueden colocar objetos ya construidos para crear
interfaces de usuario rápidamente. Después especificar las funciones del
sistema construyendo diagramas de bloques.
Puedo conectar de manera transparente con todo tipo de hardware incluyendo
instrumentos de escritorio, tarjetas insertables, controladores de movimiento y
controladores lógicos programables (PLCs).
Inclusive puedo conectar con otras aplicaciones y compartir datos a través de
Web, TCP/IP y otros.
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Fig. 2.7 Entorno LabView.
Emplazamiento de torres meteorológicas:
Estación meteorológica numero 1
Se siguieron las recomendaciones vistas en las sesiones de la especialidad de
eólica, en el tema de “estimación y medición del recurso eólico”, para este
proyecto se tendrán dos sitios sugeridos, que se muestran en la figura 2.8 de
mapas google V.10.
Fig. 2.8 mapas Google V.10
Se tendrán 2 torres colectoras marcadas con los números 1 y 2 en el mapa
Google, estas posiciones son las mejores posiciones por estar en frente a la
dirección del viento con más frecuencia.
En la figura 2.9 se muestra la posición de la torre 1. La estación meteorológica
esta insitu, y los datos son recolectados diario para mantener el historial al día.
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Fig. 2.9 Posición de la estación metereologica 1.
Esta estación tiene una altura de 10 mts., y ya ha sido instalada para su
campaña de mediciones. La Figura 2.10 muestra la torre colocada en el sitio.
Fig. 2.10 Estación meteorológica 1 del proyecto.
Estación meteorológica 2.
Se alzó una segunda torre donde están los sensores de velocidad y dirección
del viento, también se instaló una caja donde se tiene el microcontrolador y los
sensores de temperatura y humedad. Las dos torres están a 5 ms. Una de la
otra, y esto favorece en la comparación de datos obtenidos. En la figura 2.11
se muestra la posición de las dos torres ya instaladas.
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Fig. 2.11 Estación meteorológica 1 y 2 del proyecto.
2.2.- ProblemaPara la realización del proyecto se tuvo que utilizar un panel solar para
la carga de batería de 12 volts, y diseñar su regulador.
En relación con la toma de datos de energía producida por el aerogenerador se
ha estado atrasando por la falta de decisión de la administración para dotar de
un gabinete adecuado para completar la instalación del sistema.
En relación a la toma de datos periódicamente se ha tenido el apoyo del
alumnado, así como la fabricación de la caja y torres.
También se tuvo el apoyo del departamento de sistemas para poder realizar el
enlace de internet en la publicación de la página de internet.
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2.3.- Participantes
Los alumnos de la carrera de Energías Renovables de la División de Desarrollo
científico y Tecnológico de diversas generaciones se han dado el apoyo
desinteresado para la realización del proyecto.
La Universidad Tecnológica de Nuevo Laredo en su departamento de sistemas
brindo el apoyo para la publicación de la página WEB de los datos
meteorológicos.
2.4.- Población
Dentro de la División de Desarrollo Científico y Tecnológico, se cuenta con las
carreras de Energías Renovables, Mantenimiento Industrial y Mecatrónica,
cada cual a su vez cuenta con diferentes software de instrumentación como el
Labview 2013.
2.5.- Muestra
El plan es de tomar datos a diario por la estación meteorológica de la torre 1, lo
cual se tomará una muestra de 1 mes, de la estación meteorológica de la torre
2 se obtendrán datos de 1 semana, a su vez se tomaran datos de energía
producida por el aerogenerador de la universidad y se tomarán datos por dos
horas, para relacionarlos en conjunto y dar una conclusión.
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CAPITULO III
METODOLOGÍA
3.1 Obtención de Datos para la Realización de Proyecto
Para la realización del proyecto se siguieron los pasos mostrados en el
siguiente diagrama de flujo.
Fig. 3.1 Diagrama de flujo del proyecto.
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3.2 Instalación de Estación meteorológica Torre 1.
Como se mencionó anteriormente, se realizó la instalación de la torre 1 como
practica de campo por los alumnos de 9º tetramestre de Energías renovables,
se le dio una altura de 10 m., y se alineo la dirección con el norte geográfico
según instructivos de la estación.
Obtención de datos diarios de variables meteorológicas.
El software que trae dicha estación es la EASY WEATHER, y se programó
para obtener datos con una frecuencia de 10 minutos entre cada toma,
enseguida se muestra como los datos son leídos y almacenados en la
memoria, este los puede contener hasta dos semanas, para ser extraídos, sino
la memoria se llena y deja de almacenar datos. Para solucionar este problema
un alumno semanalmente vacía la información, una vez llena purga la memoria
del panel.
Fig. 3.2 Muestra de los datos importados del software EASYWEATHER.
Estos datos deben ser manipulados para guardarse en un archivo de EXCELL,
para darle buena presentación.
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Fig. 3.3 Los datos mostrados en EXCELL.
Ya en EXCELL se puede aprovechar el potencial para graficar, analizar datos
etc.
Enseguida se muestra la colección de datos en el panel de la estación, en la
locación de la torre.
Fig. 3.4 La torre 1 y el panel de adquisición.
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3.3 Elaborar programa de adquisición de datos para ARDUINO.
Antes de empezar a elaborar el programa para la adquisición de las variables
meteorológicas se deberá tomar en cuenta la naturaleza de los sensores, para
saber qué tipo de acondicionamiento se requiere, para la realización de las
rutinas de programación del ARDUINO. Entonces se trabajará en la
elaboración de interfaces que permitan ser conectadas a los puertos de
entrada/salida del microcontrolador.
3.3.1 Sensor de velocidad del viento.
Acondicionamiento del Anemómetro.
La velocidad del viento está determinada por la cantidad de revoluciones del
anemómetro en una unidad de tiempo (segundos), con las medidas exactas del
anemómetro se ha encontrado el perímetro (Figura 3.5), a modo de una
circunferencia:
Radio R = 7.1cm R = OA Ec.1
Perímetro P = 44.61cm P = 2πR Ec.2
Cada vez que el viento sopla las copas, nos dice que el viento recorre una
distancia equivalente a dar una revolución del anemómetro (Ec. 2), cada
revolución se multiplica por la cantidad de número de pulsos en un segundo
que ingresan al ARDUINO por el puerto digital 2.
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Fig. 3.5. Dimensiones del anemómetro
Este sensor funciona a manera de un pulsador (Fig. 3.6) por lo que implemente
su acondicionamiento es ponerlo en serie con una resistencia hacia tierra, es
decir siempre permite el ingreso de cero voltios al microcontrolador cuando del
anemómetro está en reposo, cuando el anemómetro da una revolución el
circuito se cierra pasando por los 5 V entonces el microcontrolador detecta un
cambio de estado de 0 lógico a 1 lógico.
Fig. 3.6. Acondicionador para el anemómetro
Puesto que es un sensor de efecto HALL el que tiene en sus interior junto con
un imán al que detecta al hacer un giro, esto produce que cierre un interruptor
en cada giro que hace, contando los giros, se puede traducir en una velocidad
proporcional al viento, para sacar la relación de vueltas por metro se requiere
computar el diámetro de las copas contra el numero de giros, ver la figura 3.7
Fig. 3.7 Sensor efecto HALL.
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Evaluar programación de ARDUINO, para medir velocidad del viento.
Para evaluar la programación del ARDUINO, se siguieron los siguientes pasos:
Se grabará el ARDUINO utilizando el programa ARDUINO IDE.
Generar una onda cuadrada de las frecuencias equivalentes a la
velocidad del viento, utilizando el equipo de calibración FLUKE 5520.
Monitorear la respuesta del ARDUINO en el monitor PC.
Comparar resultados.
La fig. 3.8 muestra el programa bajo evaluación para el anemómetro,
utilizando el calibrador Fluke 5520A se generan varias frecuencias de
pulsos que para emular las revoluciones del anemómetro en función del
viento, así creando una tabla comparativa donde se tiene la velocidad del
viento en m/s, la frecuencia equivalente y el dato observado en la PC.
Prototipo de unidad meteorológica integral para monitoreo remoto y análisis de sistemas de energíarenovables
30
Fig. 3.8 Programa de evaluación para el anemómetro.
Fig. 3.9 Circuito de prueba, el anemómetro fue reemplazado por el
calibrador.
Fig. 3.10 Mesa de trabajo, en el desarrollo de la medición.
Velocidad m/s Frecuencia degiro, Hz
Datos desalida(PC)
1 1.49 12 2.99 23 4.99 34 5.98 45 7.48 5Tabla 3.1 Datos introducidos vs. Medidos para medición del viento.
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31
3.3.2 Sensor de dirección del viento.
Circuito Equivalente de la Veleta
La veleta suele transmitir la información mediante la variación de un
potenciómetro interno por la acción o movimiento que el viento provoca, este
pudiendo ser de hilo bobinado o un potenciómetro capacitivo por lo que nos es
necesario acondicionarla, la señal que entrega se lo envía directamente a la
entrada del ARDUINO para convertirla de analógica a digital en un rango de 0
a 5 voltios (Fig. 3.11).
Figura 3.11 Circuito equivalente de la veleta
El puerto utilizado seria el A5, pin 5 de la entrada analógica del ARDUINO.
Evaluar programación de ARDUINO, para medir dirección del viento.
Puesto que la veleta utilizada en nuestro prototipo tiene un arreglo de
resistencias, que varia según el ángulo de posición, se utilizó una década de
resistencias de precisión al 1% de tolerancia, para emular el ángulo de giro.
Luego a través de un circuito acondicionador regular la señal de voltaje a la
entrada del ARDUINO, enseguida se muestran los pasos que se siguieron para
probar el programa de evaluación:
Grabar el programa mostrado en ANSY-C, en el ARDUINO IDE.
Probarlo en el laboratorio con el equipo de prueba.
o Equipo de calibración FLUKE 5520A
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32
o Década de resistencias de precisión.
o Monitor de PC (mi Laptop).
Realizar tabla de mediciones.
Fig. 3.11 Programa de evaluación para la veleta.
Fig. 3.12 Circuito de prueba, la veleta fue reemplazada por la década de res.
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33
Fig. 3.13 En la mesa de trabajo, haciendo las mediciones.Dirección engrados
Resist. EnOhms
Voltaje (V= 5,R= 10kΩ)
Dirección(PC)
0 33k 3.84 N22.5 6.57k 1.98 NE45 8.2k 2.25 NE67.5 891 0.41 E90 1k 0.45 E112.5 688 0.32 E135 2.2k 0.9 SE157.5 1.41k 0.62 SE180 3.9k 1.4 S202.5 3.14k 1.19 S225 16k 3.08 SW247.5 14.12k 4.62 W270 120k 4.78 W292.5 42.12k 4.04 NW315 64.9k 4.78 W337.5 21.88 3.43 N
Tabla 3.2 Datos introducidos vs. Medidos para la dirección del viento.
3.3.3 Sensor de Temperatura y humedad.Circuito DHT11 de Temperatura y humedad.En caso de este sensor no hace falta una interface ya que conecta
directamente al ARDUINO, en el puerto analógico A0, pin 0 en la tablilla.
El circuito completo seria el siguiente:
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34
Fig. 3.14. Conexión de sensores en el ARDUINO.
Programación del ARDUINO.
De acuerdo a la forma que funciona el sensor DHT11, se tiene que elaborar lo
siguiente:
Proceso de Comunicación: Interface Serial (Solo-alambre bidireccional)
Formato de datos solo-bus es usado para comunicación y sincronización entre
el MCU y el sensor DHT11. Un proceso de comunicación es alrededor de 4ms.
Data consiste de partes enteras y decimales. Una data de transmisión es de 40
bits, y el sensor envía los bits de data mayores primero.
Formato de Data: data RH entero de 8 bit + data RH decimal de 8bit + data T
entero de 8bit + data T decimal de 8 bit + check sum de 8 bit. Si el data de
transmisión esta bien el check-sum sería de al menos 8 bit de “8 bit If the data
transmission is right, the check-sum should be the last 8bit of " data RH entero
de 8 bit + data RH decimal de 8bit + data T entero de 8bit + data T decimal de
8 bit ".
Proceso de comunicación global (Fig. 3.15, abajo)
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35
Cuando MCU envía una señal de arranque, DHT11 cambia desde el modo de
bajo consumo para el modo de funcionamiento, esperando MCU completando
la señal de partida. Una vez completado, DHT11 envía una señal de respuesta
de 40 bits de datos que incluyen la humedad relativa y temperatura información
de MCU. Los usuarios pueden elegir recoger algunos datos (lectura). Sin la
señal de inicio de MCU, DHT11 no dará la señal de respuesta al MCU. Una vez
que se recaben datos, DHT11 cambiará al modo de bajo consumo de energía
hasta que recibe de nuevo una señal de inicio de MCU.
Fig. 3.15 Proceso grafico de comunicación global.
MCU Manda una señal de arranque al sensor DHT11 (Figura 3.11, abajo)
Data de solo-bus de estado libre está a nivel alto de voltaje. Cuando se inicia la
comunicación entre MCU y DHT11, el programa de MCU colocará el nivel de
tensión del data de un solo bus de alto a bajo, y este proceso debe tener al
menos 18 ms para asegurar la detección de la señal de MCU de DHT,
entonces MCU jala la tensión hacia arriba y espera 20 -40µs la respuesta de
DHT.
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36
Fig. 3.16 MCU Manda una señal de arranque al sensor DHT11.
DHT Responde al MCU (Fig. 3.17) Una vez que DHT detecta la señal de
partida, se enviará una señal de respuesta de baja tensión, que dura 80µs.
Entonces el programa de DHT establece el nivel voltaico de Solo-bus de datos
de baja a alta y mantiene durante 80µs para preparación de DHT para enviar
datos. Cuando solo-Bus de datos está en el nivel de voltaje bajo, esto significa
que la DHT está enviando la señal de respuesta. Una vez DHT envió la señal
de respuesta, tira a tensión y mantiene durante 80µs y se prepara para la
transmisión de datos. Cuando DHT está enviando datos a MCU, cada bit de
datos comienza con el 50µs baja tensión y la longitud de la señal de alto nivel
de tensión siguiente determina si el bit de datos es "0" o "1" (ver las figuras
3.17 y 3.18 infra).
Fig. 3.17 Indicación de Data “0”.
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37
Fig. 3.18 Indicación de data “1”.Si la señal de respuesta de DHT está siempre en el alto nivel de tensión,sugiere que la DHT no responde correctamente y por favor, compruebe laconexión. Cuando se transmite el último bit de datos, DHT11 baja el nivel detensión y mantiene unos 50µs. Entonces el voltaje solo-bus se va desplazandopor la resistencia para fijarlo a la condición libre.El programa de ARDUINO puede ser consultado en el ANEXO A.El programa se comunica a la PC por medio de comunicación serial, y puede
ser monitoreado con cualquier programa monitor, solo configurar el puerto a
9600 Baud rate, no bit de stop, no paridad.
Sensores de velocidad del viento y dirección, Anemómetro y veleta dedirecciones.
Para la programación del ARDUINO en estos sensores se utilizó la rutina de
programación del ANEXO B, donde puede ser consultado.
Los datos al igual con los sensores de temperatura y humedad, se reciben en
la PC a través del puerto serial por el USB, y pueden ser monitoreados a través
del mismo monitor serial de su predilección.
Prototipo de unidad meteorológica integral para monitoreo remoto y análisis de sistemas de energíarenovables
38
3.4 Aprender a configurar Zig Bees
Ahora que ya funciona nuestro programa perfectamente, esto es ya tenemos
los datos observados en nuestro monitor, con una periodicidad conveniente, es
tiempo de trabajar nuestro ARDUINO en modo inalámbrico.
Para lograr esto emplearemos XBEES de maxStream, hay de varios tipos, la
serie 1, serie 1 pro, series 2 y serie 2 pro. Para el proyecto emplearemos la
serie 1 pro, con un alcance en línea de 1600 mts..
Veamos algo de teoría antes de programarlos.
Los módulos XBee de MaxStream permiten enlaces seriales de señales TTL
en distancias de 30 metros en interiores, 100 metros en exteriores con línea de
vista y hasta 1.5 Km con los módulos Pro.
Fig. 3.19 Modulo XBEE de MaxStream
Fig. 3.20 XBee Shield montado sobre la placa Arduino
Prototipo de unidad meteorológica integral para monitoreo remoto y análisis de sistemas de energíarenovables
39
Lós módulos XBee utilizan el protocolo IEEE 802.15.4 mejor conocido como
ZigBee. Este protocolo se creó pensando en implementar redes de sensores.
El objetivo es crear redes tipo mesh que tengan las propiedades de auto-
recuperación y bajo consumo de energía.
Tomado de Wikipedia (http://en.wikipedia.org/wiki/Zigbee ), las áreas de
aplicación son:
- Entretenimiento en casa y control – iluminación inteligente, control
avanzado de temperatura, seguridad, películas y música.
- Hogar Prevenido – sensores de agua, sensores de potencia,
electrodomésticos inteligentes y sensores de acceso.
- Servicios Móviles – pagos móviles, monitoreo y control móvil, seguridad y
control de acceso móvil, cuidados de salud móviles y tele asistencia.
- Edificios comerciales – monitoreo de energía, HVAC, iluminación y control
de acceso.
- Plantas industriales – control de procesos, gestión de ventajas, gestión
ambiental, gestión de energía y control de dispositivos industriales.
En nuestro caso particular vamos a utilizar los módulos de XBee para crear
una comunicación serial inalámbrica entre una computadora y un Arduino.
Materiales necesarios
- 2 módulos XBee Shield
- 2 placas Arduino, una de ellas SIN el microcontrolador (hay que tener cuidado
especial al retirarlo para no doblarle los pines)
- Un LED
- Un eliminador de 9V para alimentar el Arduino remoto
- Un cable USB para conectar el Arduino local a la computadora
Prototipo de unidad meteorológica integral para monitoreo remoto y análisis de sistemas de energíarenovables
40
Configuración inicial
De fábrica cada módulo XBee viene configurado con un PAN ID (el
identificador de la red personal) de 3332 y configurados con una tasa de
transferencia de 9600 baudios, con datos de 8 bits, sin paridad y 1 bit de paro.
Cada XBee Shield tiene un par de jumper para definir si la comunicación serial
se realiza hacia el puerto USB o hacia el módulo XBee. Como primera prueba
vamos a configurarlos para interactuar con el puerto USB, esto quiere decir
poner ambos jumper en la posición externa de los pines, en la figura 3 puede
verse la ubicación de tales jumper.
Fig. 3.21 Ubicación de los jumper selectores
Podemos utilizar el programa Hyperterminal en Windows para comenzar a
configurar el módulo XBee. Otras alternativas son el Serial Monitor que viene
integrado en el entorno de programación de Arduino o el programa Bray++
Terminal
(http://hubbard.engr.scu.edu/embedded/avr/software/Terminal.exe ).
El comando necesario para comenzar la interacción es +++, esto es, tres
signos de suma consecutivos. Tecleándolos debemos de recibir como
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41
respuesta un OK. En la fig. 3.22 podemos ver la entrada en la parte inferior y la
respuesta en la parte superior.
Fig. 3.22 Estableciendo conexión con el módulo XBee
Una vez establecida la conexión sólo tenemos 5 segundos para interactuar con
el módulo.
Después de ese tiempo, el módulo regresa a su estado nativo y para volver a
interactuar tenemos que teclear +++ nuevamente.
Cada comando que le ingresemos debe ir precedido por las letras AT. Este es
el típico modo de operación de módems.
La tabla de comandos más usuales la podemos obtener en
http://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoXbeeShield
Usaremos para la conexión a la computadora la placa Arduino SIN el
microcontrolador ATMEGA328. La razón de esto es que de esa manera
podemos directamente interactuar vía USB con el módulo XBee.
Prototipo de unidad meteorológica integral para monitoreo remoto y análisis de sistemas de energíarenovables
42
Para este ejemplo proponemos la siguiente configuración: un PAN ID de 3332,
un módulo con dirección 0 y otro módulo con dirección 1. El módulo con
dirección 0 será el que estará conectado a la computadora y el módulo con
dirección 1 será el módulo remoto.
Para configurar el primero con la dirección 0, velocidad 9600 8-n-1 y
comunicación con el módulo de ID1 usamos el siguiente comando:
ATID3332,DH0,DL1,MY0,BD4,WR,CN
Las letras AT le indican al XBee que le vamos a enviar comandos. ID3332 le
define un PAN ID de 3332, DH0 y DL1 definen la dirección 01 como el XBee
con el que se estará comunicando, el comando MY0 define la dirección propia
como 0, BD4 define la velocidad en 9600, el comando WR escribe la
configuración a la memoria y el CN cierra la configuración.
Paso siguiente es conectar el segundo XBee shield al Arduino sin micro.
Configuramos de la misma manera. ¿Qué cambios se realizaron en el
siguiente comando?:
ATID3332,DH0,DL0,MY1,BD4,WR,CN
Después de terminada la configuración ya estamos en condiciones de
establecer una comunicación entre los dos módulos XBee.
Programando el Arduino remoto
Vamos a colocar el módulo XBee con dirección 1 en el Arduino que SÍ tiene
microcontrolador y lo vamos a programar con un código que envía vía serial
una cuenta numérica. También vamos a incluir una lectura del puerto serial
para saber si se ha recibido un carácter en particular y en caso afirmativo
conmutar el estado del LED conectado al pin 13.
Es importante remover el módulo XBee de este Arduino mientras lo
programamos para que podamos establecer la comunicación serial.
/* Prueba Serial =============
Prototipo de unidad meteorológica integral para monitoreo remoto y análisis de sistemas de energíarenovables
43
Este programa se utiliza para enviar una cuenta por la conexión serial del
Arduino y leer si se recibe un carácter para cambiar el estado del LED
conectado al pin 13
Félix E. Guerrero
Verano 2008
*/
int cuenta = 0;
char recepcion;
int estado = 1;
void setup() {
Serial.begin(9600);
}
void loop() {
Serial.print(cuenta);
Serial.println();
delay(1000);
cuenta++;
// leer del serial
recepcion = Serial.read();
if (recepcion == 'x')
{
estado = !estado;
digitalWrite(13,estado);
Prototipo de unidad meteorológica integral para monitoreo remoto y análisis de sistemas de energíarenovables
44
}
}
Después de cargar este código podemos probarlo abriendo una conexión serial
hacia el Arduino. Debemos de observar una cuenta ascendente y cuando
enviamos el carácter x debemos observar un cambio en el estado del LED
conectado al pin 13. NOTA: parece que la primera vez que recibe la x no la
reconoce como válida. Hasta la 2da ocasión es cuando comienza a conmutar
el LED.
Probando la comunicación inalámbrica
Una vez programado el Arduino lo vamos a desconectar del USB y a colocar
en otro sitio, donde podamos alimentarlo con el eliminador de 9V. También
vamos a conectarle el módulo de XBee Shield para que pueda comenzar a
transmitir inalámbricamente la cuenta ascendente. Debemos asegurarnos que
los jumperes estén hacia el interior del Arduino, es decir, en la posición XBee.
En la computadora vamos a conectar al USB el Arduino SIN microcontrolador
con el XBee Shield de dirección 0 y vamos a abrir el Hyperterminal. Después
de unos segundos debemos de empezar a observar la cuenta ascendente y
cuando tecleamos la x debemos de lograr que el estado del LED cambie.
Fig. 3.23 Recibiendo datos inalámbricamente
Prototipo de unidad meteorológica integral para monitoreo remoto y análisis de sistemas de energíarenovables
45
Siguiendo el procedimiento escrito arriba se utilizaron un XBEE shield en el
arduino y un XBEE explorer el lado de la PC. Así lo mostramos en la siguiente
imagen.
Figura 3.24 Placa XBEE explorer y su conexión a la PC.
Al ARDUINO programado, se le montará el XBEE shield, y una alimentación
portátil, como una batería de 9V, Para que sea remota.
Haciendo conexión del arduino con el sensor DHT11 e instalando los XBEE en
ambos, quedaría como lo muestra la siguiente imagen, el ella se muestra el
ARDUINO con el XBEE y el escudo XBEE conexión, como sistema de
adquisición de datos, se muestra la conexión del sensor DHT11.
Fig. 3.25 Conexión del ARDUINO y los XBEE.
Prototipo de unidad meteorológica integral para monitoreo remoto y análisis de sistemas de energíarenovables
46
En la parte de debajo de la figura 3.26 se muestra el XBEE como receptor
montado en la tarjeta XBEE EXPLORER de Sparkfun electronics.
En las siguientes imágenes se ve con las claridad las conexiones tanto del lado
transmisor como la de recetor.
Fig. 3.26 El ARDUINO y XBEE como transmisor, y la figura con el XBEE con la
plantilla EXPLORER.
Para probar el enlace inalámbrico, se puede utilizar cualquier programa monitor
serial, en este caso se usará el programa “Terminal v1.9b”, de los cuales me
ha parecido mejor, pero incluso se tiene el monitor serial de ARDUINO.
Figura 3.27 Programa monitor de puerto serial “Terminal v1.9l”
Prototipo de unidad meteorológica integral para monitoreo remoto y análisis de sistemas de energíarenovables
47
Lo importante es la configuración de los parámetros del protocolo de
comunicación que deben de corresponder con los programados en el
ARDUINO. En este caso arriba se muestra el menú donde deben ser
escogidos y señalados. También debe ser escogido el puerto serial, por lo
general el programa lo detecta para usted lo configure.
En la imagen se detalla como el ARDUINO manda datos y se refrescan de
acuerdo a la periodicidad que se colocó en el programa de operación del
ARDUINO.
3.5 Medidor de energía producida del aerogenerador
Para monitorear la energía producida por el aerogenerador AIR40, utilizaremos
el circuito integrado ACS758 para medir corriente, es de tipo efecto HALL, que
es superior a los de tipo divisor de voltaje resistivos. Para la medición de
voltaje se elaborara un divisor de tensión con el consabido que el
aerogenerador tiene un rango de operación de 0 a 18 volts.
Se armó el circuito mostrado a continuación:
Fig. 3.28 detalle de circuito medidor de corriente y voltaje en aerogenerador.
Prototipo de unidad meteorológica integral para monitoreo remoto y análisis de sistemas de energíarenovables
48
En el circuito se muestra que el sensor es de tipo invasivo, ya que se tiene que
integrar al circuito alimentador del banco de baterías, la señal de salida del
sensor ACS758, es alimentado al ARDUINO en el pin A0.
El circuito divisor de tensión es calculado para escalar el rango de operación
del aerogenerador, y bajándolo al rango de operación del ARDUINO.
En la figura a continuación muestra el programa utilizado para manejar el
ARDUINO, para leer los datos del aerogenerador, y con una frecuencia de
operación ser mandados a la PC y ser grabados.
para
Fig. 3.29 Programación de ARDUINO para toma de corriente y voltaje de
aerogenerador.
A continuación se muestra la tabla tomada de los datos obtenidos de voltaje y
corriente a diferentes velocidades del viento. Como se observa no se
Prototipo de unidad meteorológica integral para monitoreo remoto y análisis de sistemas de energíarenovables
49
obtuvieron datos cuando la velocidad del viento era menor de 3 m/s, debido al
diseño del aerogenerador, y no se obtuvieron datos de velocidad mayores de
10 m/s.
Velocidad delviento (m/s)
Corrientemedida
voltaje
3 0.25 12.324 1.38 12.365 1.6 12.976 2.01 12.397 2.77 12.968 3.14 12.439 4.78 12.741011Tabla 3.3 Relación de voltaje y corriente de aerogenerador vs. Velocidad del
viento.
3.6 Elaborar programa exhibidor y registro LABVIEW
Ya habiendo elaborado la comunicación de manera efectiva es necesario dar
una representación de los datos de manera profesional y atractiva, LABVIEW
reúne estos requisitos por ser una plataforma de interface gráfica, y su
capacidad de manejar grandes cantidades de información sin descuidar la
precisión y rapidez de comunicación.
Un programa de LABVIEW consta de dos partes, el “panel principal” y el
“diagrama de bloques”, en el panel principal asemeja a un Instrumento de
medición literalmente, donde se tiene los controles e indicadores del aparato.
El diagrama de bloques es como si fueran las circuiterías internas necesarias
para el correcto funcionamiento del instrumento, cuando se tiene terminado el
programa los nombres que se les da a los archivos, tienen una extensión .vi,
que nos recuerda que lo creado es un instrumento virtual, o simula un
instrumento físico.
Para realizar el programa se llevan los siguientes pasos:
Prototipo de unidad meteorológica integral para monitoreo remoto y análisis de sistemas de energíarenovables
50
Resolver el problema de comunicación.
Realizar una rutina de manejo de los datos.
Realizar el registro de datos.
La rutina de retardos para que sea ajustado el tiempo de muestreo.
Resolver el problema de comunicación.
LABVIEW tiene librerías para el manejo de datos por los puertos de
comunicación ya sean seriales, paralelos, manejo de redes etc., en nuestro
caso el puerto utilizado seria el serial, por medio del USB de la computadora.
En la siguiente figura se muestran los comandos involucrados en la
comunicación:
Fig. 3.28 Rutina de comunicación del programa.
El icono de “VISA terminal” es una función que se encarga de configurar el
puerto de comunicación serial, en él se configura los BAUDIOS, que en nuestro
caso en el programa del ARDUINO fue de 9600, Data bits de 8, no- paridad, 1
bit de parada y no-handshaking. También este programa trae el puerto 0 como
defecto, pero si necesita ser cambiado manualmente de le agrega un control a
manera de selector como lo muestra la figura con el apelativo de “VISA
resource name”.
Prototipo de unidad meteorológica integral para monitoreo remoto y análisis de sistemas de energíarenovables
51
Observe que las líneas de conexión se ponen moradas, indicando que el tipo
de datos que vienen por el puerto son caracteres ASCII.
También se le coloca un indicador de error, si acaso ocurre para que sea uno
avisado y por lo tanto corregido, ya que da un código de error, ayudando a
localizarlo.
Otra parte también importante en la función de “VISA read”, es el “property
node” que controla la lectura de los datos cuando son detectados por él mismo,
una vez leído, espera por las cadenas de datos siguientes, abriendo la lectura
de “VISA read” una y otra vez.
La salida es de color rosa, indicando que una cadena de caracteres ASCII. La
salida azul da un checksum de esta cadena de caracteres, esto es, da un
numero de la extensión de la palabra esto nos será muy útil en los siguientes
pasos.
Realizar una rutina de manejo de los datos.
La siguiente figura muestra esta parte del programa, teniéndose los caracteres
en una palabra es necesario cortar lo que no hace falta y solo tomar los datos
que deben ser utilizados para el procesamiento, entonces así lo hace.
Prototipo de unidad meteorológica integral para monitoreo remoto y análisis de sistemas de energíarenovables
52
Fig. 3.29 Procesamiento de datos, cuando el evento falso de la estructura case
.
Los datos que llegan como cadena de caracteres por el alambre de conexión
rosa son los siguientes:
“Humedad relativa = xx.xx%;Temperatura=xx.xxC” da un largo de 47
caracteres.
“ Direccion:yy Velocidad del viento:yy.yy” da un largo menor a 47
caracteres.
Esta información viene por la línea azul, me sirve para controlar la posición de
una “estructura case” de control lógica, para poder manejar los dos casos por
separado, de tal manera que cuando el dato es comparado si es igual o mayor
a 47, la estructura es verdadera y trabajo con la “temperatura y humedad”, si al
contrario, el dato es menor a 47, entonces la estructura case es falsa, entonces
trabajo con las variables “velocidad y dirección del viento”.
En este caso de la fig. 3.29 se usan dos funciones “String Subset”, que ubican
los datos utilizables dentro de la extensión de la cadena de caracteres, y la
longitud de corte necesaria, el resultado son cadena de caracteres en línea
rosa pero solo los valores yy también yy.yy.
En la variable velocidad del viento, solo es necesario exhibir los resultados, se
decidio por un indicador numérico y un gráfico, para el numérico no hay gran
problema, solo el indicador grafico es necesario convertir los datos ASCCII al
tipo de numérico de precisión, por eso fue el cambio de color de las líneas, de
rosa a naranja.
Para la variable de “dirección del viento” fue necesario además una estructura
case, para dar un valor numérico a las letras de dirección, para poder utilizar
un indicador grafico tipo reloj, y así asemejar más a la rosa de vientos que es el
indicado en eólica.
Prototipo de unidad meteorológica integral para monitoreo remoto y análisis de sistemas de energíarenovables
53
Figura 3.30 Procesamiento de datos, cuando el evento verdadero de la
estructura case.
En la figura 3.30 se puede ver que el procedimiento para las variables
“humedad y temperatura” es semejante que el de la variable “velocidad del
viento”. En ambos casos se decidió un indicador numérico y uno gráfico.
Realizar el registro de datos
En la siguiente figura muestra la etapa de la recolección de datos para
grabarlos en un archivo de texto. Se ha creado un WHILE LOOP que nos sirve
para dos propósitos, uno para controlar la finalización del programa mediante
un control STOP, y el otro para grabar en SHIFT REGISTERS, los datos
manipulados mientras ciclan los eventos en el tiempo.
Prototipo de unidad meteorológica integral para monitoreo remoto y análisis de sistemas de energíarenovables
54
Fig. 3.31 Rutina de la base de datos.
Lo medular de esta parte es la construcción de ARRAYS, para colocar los
datos en renglones y columnas, para eso se utilizaron las funciones de
construcción e inserción, luego el control de la tabla nos da la manera de
modificar la tabla, para luego terminar con la función de escritura a un archivo
nos ayuda a guardar los datos. En esta función se escoge el nombre del
archivo y la ubicación en la PC.
La rutina de retardos para que sea ajustado el tiempo de muestreo.
El programa del ARDUINO manda datos cada minuto, pero si usamos esta
información, vamos a saturar las memorias de la computadora, además para
un buen estudio de vientos es recomendable que los datos sean al menos de
un periodo de 10 minutos. Siendo así y aprovechando la capacidad de
LABVIEW le sacamos provecho y creamos un ciclo exacto de 10 minutos, se
logró a través de varias medidas que se elaboraron con resultados excelentes.
La base de tiempo obtenida fue de 300000 ms. La función es un retardo de
evento.
La siguiente figura muestra como quedo el panel de control terminado así
como el diagrama de bloques.
Prototipo de unidad meteorológica integral para monitoreo remoto y análisis de sistemas de energíarenovables
55
Figura 3.32 Panel de control.
Se observa como cada variable tiene su indicador numérico así como su
representación gráfica, cuando fue tomada esta imagen no se tenía conectada
la torre 2, lo que solo se observan bien los datos de temperatura y humedad.
Se observa la tabla de base de datos, y la hora y fecha de captura, observe
que son exactamente cada 10 minutos.
Fig. 3.33 Diagrama de bloques completo.
Prototipo de unidad meteorológica integral para monitoreo remoto y análisis de sistemas de energíarenovables
56
3.7 Configurar conexión a RED y publicar en página WEB.
El monitoreo del sistema de adquisición de datos desde un computadora
remota, es una de las principales metas de este proyecto para lograr que la
comunidad tenga acceso a los datos meteorológicos al día. Para completar
esta tarea se configuran tanto la red local de Internet PRODIGY
Proporcionada por la compañía TELMEX, como el servidor web del
instrumento virtual.
Configuración del servidor web en LabVIEW
LabVIEW ya cuenta con su propio servidor web que hace posible subir los
instrumentos virtuales a Internet, dando una dirección URL al sistema con el IP
de la computadora. No obstante, antes de activar el servidor web se tienen que
configurar los puertos de acceso al instrumento virtual, es decir, especificar el
puerto a través del cual se tendrá acceso al programa, cabe mencionar que
LabVIEW emplea el puerto 80 como puerto predeterminado. Si los servidores
de LabVIEW y otros se ejecutan al mismo tiempo, se presentarán problemas
por tratar de accesar al mismo puerto.
Debido a lo anterior, en LabVIEW se debe modificar el puerto teniendo cuidado
de no usar un puerto ya reservado en el estándar ethernet dejando los demás
servidores en el puerto 80.
La IANA (Internet Assigned Number Authority) es una organización que agrupó
la asignación de los puertos estándar en tres categorías:
Puertos bien conocidos que van del 0 al 1023 y son reservados para
servicios ya conocidos.
Puertos registrados comprendidos entre 1024 y 49151.
Puertos dinámicos y privados comprendidos entre los números 49152 y
65535.
El puerto se escoge de entre los puertos registrados porque sirve como puerto
de contacto con clientes desconocidos. En nuestro caso se seleccionó el
Prototipo de unidad meteorológica integral para monitoreo remoto y análisis de sistemas de energíarenovables
57
puerto numero 5001 porque no tiene un servicio asignado. Para mayor
información visitar http://www.zator.com/Internet/N_11.htm y el anexo donde
se muestra una tabla de los servicios que ocupan los puertos del 0 al 1080.
Para asignar el puerto 5001 en el servidor web de LabVIEW, se selecciona en
la barra de menú la opción Tools y posteriormente la casilla de Options.
Aparecerá una ventana como lo muestra la Figura 3.34 y ahí se selecciona la
opción Web Server:
Configuration, en esa ventana se debe configurar el puerto http que se usará
para tener acceso al sistema Datalogg3.
Fig. 3.34 Configuración del Servidor Web de LabVIEW
Para conocer la dirección URL por la cual se tendrá acceso al sistema
Datalogg3 es necesario habilitar el servidor web de LabVIEW.
Primero hay que accesar en el servidor web del instrumento virtual en el que se
está trabajando, desde la pantalla principal de LabVIEW. Para ello, se
selecciona en la barra de menú la opción Tools y se selecciona Web
Publishing Tool, posteriormente, se abrirá una ventana como se muestra en la
Fig. 3.35.
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58
Fig. 3.35 Menu de herramientas “Web Publishing Tool”.
En la figura 3.35, se selecciona el instrumento virtual en el que se va a habilitar
el servidor web de LabVIEW. También se pide especificar el “Modo de
Visualización”, para seleccionar la manera de presentar el archivo en red. En
nuestro caso escogemos el de “Monitor”, pues no se quiere que cualquiera
tenga la facultad de manipular los controles, ni solo mostrar una imagen fija,
más bien lo que se requiere es que nuestra página se refresque con una
frecuencia determinada, en mi caso cada 10 segundos. Lo que sigue es
colocarle un encabezado y frases de bienvenida para que sea visto por el
público en general.
Al oprimir próximo, se abre una ventana mostrando el directorio de destino del
archivo, el nombre del archivo y la dirección URL que nos servirá como link en
internet.
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59
Fig. 3.36 Figura que muestra la dirección URL donde queda.
3.8 Configuración de la red local
En México una de las compañías que proporcionan servicio de Internet es
TELMEX con su servicio PRODIGY INFINITUM, que provee mediante la línea
telefónica, conexión permanente a Internet de alta velocidad con tecnología
ADSL (Línea de abonado digital asimétrica). Este tipo de conexión proporciona
una IP fija. Parte de la dirección URL, de acceso al sistema, consiste en el IP
del router, por lo que una IP fija es necesaria para que la dirección web por la
cual se tiene acceso al sistema Datalogg3 no cambie.
El servicio de Internet PRODIGY INFINITUM cuenta con la opción de
configurar la red local por medio de la página web http://home/ (Fig. 3.37). A
continuación se explicarán los pasos para configurar la red y obtener la
dirección para la cual los usuarios remotos puedan tener acceso a la
computadora donde reside el sistema Datalogg3.
Prototipo de unidad meteorológica integral para monitoreo remoto y análisis de sistemas de energíarenovables
60
Figura 3.37 Pagina Home de Prodigy.
Se debe crear una aplicación accesando al recuadro de Bloqueo de Intrusos,
en la ventana de Modificar Configuración del sistema de bloqueo de intrusos se
selecciona Agregar una nueva aplicación definida por el usuario. La aplicación
debe llevar el nombre del sistema Datalogg3 y se especifica el puerto por el
cual se accederá a esta aplicación, que es igual al que se usó en la
configuración del servidor web de LabVIEW (ver Fig. 3.38).
Fig. 3.38 Configuración de la aplicación.
Prototipo de unidad meteorológica integral para monitoreo remoto y análisis de sistemas de energíarenovables
61
Una vez creada la aplicación, se tiene que especificar en qué computadora
podrá encontrarse. Por ejemplo, la red de Internet INFINITUM reconoce una
computadora con el nombre JuanManuel-PC, entonces en la ventana de
Modificar Configuración del sistema de bloque de intrusos se selecciona la
aplicación Datalogg3 y la computadora JuanManuel-PC, ver Fig. 3.39.
Fig. 3.39 Asignación de la aplicación
Fig. 3.40 Detalles de la aplicación.
Por último, en los Detalles del bloqueo de intrusos se puede observar las
Configuraciones personalizadas, es ahí donde se puede ver la IP pública del
router. Por lo tanto, la dirección URL que se deberá escribir, en un explorador
de Internet, para poder tener acceso al sistema es
http://189.235.11.146:5001/Datalogg3.html.
Prototipo de unidad meteorológica integral para monitoreo remoto y análisis de sistemas de energíarenovables
62
Como se ha detallado anteriormente, no es difícil efectuar la configuración de
Acceso remoto al sistema, sólo es indispensable contar con la conexión a
Internet PRODIGY INFINITUM que proporciona la compañía TELMEX. En las
pruebas realizadas, para poder ver el panel frontal en el explorador web en una
computadora, el cliente debe instalar un archivo flash que se descarga
automáticamente como requisito para ver el panel frontal, esto es debido a que
el cliente no tiene instalado en su computadora LabVIEW.
Prototipo de unidad meteorológica integral para monitoreo remoto y análisis de sistemas de energíarenovables
63
CAPITULO IV.
RESULTADOS
Durante el proceso de desarrollo del sistema se realizaron diferentes tipos de
pruebas de cada etapa.
A continuación se presentan las etapas evaluatorias para sacar una conclusión
sobre el sistema implementado.
En el ANEXO C se muestra una muestra de 33 datos de la torre 1, y 33 datos
de la torre 2, comprendidos entre las 7:00 am, a mediodía el 31 de marzo de
2014, para hacer los análisis de comparación.
4.1 Análisis estadístico del sistema implementado.
En los ensayos aleatorios y en los estudios observacionales de comparación,
entre el sistema implementado y el sistema de uso comercial para la
recolección de datos meteorológicos WEATHERWISE INSTRUMENTS, con la
muestra tomada de cada sistema se quiere establecer que los datos que
recolecta el sistema implementado se asemejan a los del sistema comercial
WEATHERWISE INSTRUMENTS.
Para esto se ha empleado un análisis estadístico siguiendo un procedimiento
objetivo por medio del cual se puede aceptar o rechazar un conjunto de datos
como confirmatorios de una hipótesis, conocido un nivel de confianza y el
riesgo que se corre al tomar tal decisión.
Una Hipótesis es una aseveración de una población con el propósito de poner
a prueba, para verificar si la afirmación es razonable se usan los datos o se los
rechaza. Al intentar alcanzar una decisión si el sistema implementado es
eficiente o no con respecto al sistema comercial WEATHERWISE
INSTRUMENTS, es útil hacer hipótesis sobre los datos muéstrales
recolectados, tales hipótesis que pueden ser o no ciertas son hipótesis nula y
alterna.
Prototipo de unidad meteorológica integral para monitoreo remoto y análisis de sistemas de energíarenovables
64
Hipótesis Nula Ho: si deseamos comprobar que tanto se aproxima el sistema
implementado al sistema comercial, formulamos la hipótesis de que no hay
diferencia entre ellos (o sea que cualquier diferencia observada se debe
simplemente a fluctuaciones en el muestreo de la misma población). Tales
hipótesis se suelen llamar hipótesis nula y se denotan por Ho, esta hipótesis es
aquella que nos dice que no existen diferencias significativas entre los dos
grupos de datos.
Hipótesis alterna H1: afirmación que se aceptará si los datos muéstrales
proporcionan evidencia de que la hipótesis nula es falsa.
Se debe recordarse esta comprobación de hipótesis sólo puede aplicarse en el
caso de que se haya procedimiento a un muestreo aleatorio de la población, lo
que nos permite garantizar que dicha muestra es representativa de la referida
población, al plantearnos estas dos hipótesis queremos demostrar que las
medias de los sensores de cada sistema son iguales.
Hipótesis:
H0 : µ1 = µ2…………………………………………………….ecu. 4.1
H1 : µ1 ≠ µ2……………………………………………………..ecu. 4.2
Donde:
H0 = Hipótesis nula
H1 = Hipótesis alternativa.
µ1 = media de la población 1
µ2 = media de la población 2
El procedimiento para probar la ecu. 4.1 es calcular la estadística de prueba Zpara muestras mayores a 30 para dos medias mediante la siguiente fórmula:
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65
………………………………………………..ecu. 4.3
Donde:
__
X1 = media de la muestra 1(Torre 1)
__
X2 = media de la muestra 2(Torre 2)
σ21= varianza de la población 1(Torre 1)
σ22= varianza de la población 2(Torre 2)
n1 = tamaño de la muestra 1(Torre 1)
n2 = tamaño de la muestra 2(torre 2)
La hipótesis nula H0 se rechaza si:
Z > Zα/2 o Z < -Zα/2…………………………………..ecu. 4.4
Donde:
Z = Valor calculado estadístico prueba Z
Z α/2 = Valor obtenido de la tabla de distribución normal estándar Z (ver
ANEXO C).
α = Nivel de significación.
Es frecuente un nivel de significación de 0.05 o 0.01. Si por ejemplo se escoge
el nivel de significación 0.05 (o 5%), es decir tenemos un 95% de confianza de
Prototipo de unidad meteorológica integral para monitoreo remoto y análisis de sistemas de energíarenovables
66
que hemos adoptado la decisión correcta esto significa que tal hipótesis tiene
una probabilidad 0.05 de ser falsa (ver Figura 4.1).
Fig. 4.1. Área bajo la curva de una normal estándar
α= 0.05
1 - = zona de aceptación para Z α/2
1-0.025 =0.975 buscando el valor en la tabla de Distribución Normal Estándar
Z correspondiente a 0.975 encontramos Z α/2 = 1.96.
Se ha tomado muestras de datos para cada variable medida como
temperatura, humedad, velocidad y dirección del viento, tanto con el sistema
comercial como con el sistema implementado, aclarando que primero se ha
tomado un dato del sistema comercial y luego en un rango de 10 minutos
después con el sistema implementado, siendo esta diferencia de tiempo
necesaria ya que se usaron los mismos sensores para cada sistema.
Prototipo de unidad meteorológica integral para monitoreo remoto y análisis de sistemas de energíarenovables
67
4.1.1 Análisis de Velocidad del viento.
Para este análisis se ha tomado una muestra de 33 datos, para el sistema
comercial en función del tiempo, la mejor muestra que se pudo tomar fue en las
horas de la tarde por ser más intensa la velocidad del viento, cada resultado en
metros por segundo para cada sistema (Tabla 4.1). Utilizando el criterio de
decisión de la ecuación 4.4 para rechazar la hipótesis nula H0, nos damos
cuenta de que -1.81 es menor que -1.96 por lo cual aceptamos H0, existe una
fuerte evidencia para decir que las medias de los dos sistemas son iguales.
Tabla 4.1
Tiempo No. Demuestra
Torre 1 (m/s) Torre 2 (m/s)
6:50 1 2.4 3.27:00 2 3.4 3.47:10 3 2.7 3.77:20 4 4.1 3.87:30 5 2.4 3.77:40 6 2.7 4.17:50 7 3.1 4.18:00 8 2.4 4.48:10 9 4.1 4.28:20 10 3.7 4.28:30 11 3.4 4.28:40 12 4.4 4.48:50 13 2.4 4.99:00 14 3.4 4.39:10 15 3.7 3.99:20 16 4.4 4.79:30 17 3.4 4.29:40 18 3.7 3.89:50 19 4.1 4.410:00 20 4.4 4.510:10 21 3.7 4.010:20 22 4.4 3.410:30 23 4.1 3.810:40 24 4.3 3.8
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68
10:50 25 4.1 3.611:00 26 3.4 3.511:10 27 3.4 4.011:20 28 2.7 3.211:30 29 3.7 3.411:40 30 4.8 3.511:50 31 3.7 3.812:00 32 4.4 3.612:10 33 4.4 2.2
De la Ecu. 4.1 encontramos Z = -1.81.
En la Figura 4.2 se puede ver una tendencia aproximadamente igual entre el
sistema comercial y el sistema implementado.
Fig. 4.2 Graficado de la velocidad del viento para 33 datos de los dos sistemas.
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69
4.1.2 Análisis de dirección del viento.
Se ha tomado una muestra de 30 datos tanto del sistema comercial y del
sistema implementado, dando una equivalencia para cada dirección un número
(Tabla 4.2).
Utilizando el criterio de decisión de la ecuación 4.4 para rechazar la hipótesis
nula H0, nos damos cuenta de que -1.52 es menor que -1.96 por lo cual
aceptamos H0. No existe suficiente evidencia estadística para pensar que las
medias son diferentes.
Tabla 4.2
Tiempo No. Demuestra
Torre 1 Torre 2
6:50 1 6 SURESTE 5 SUR7:00 2 5 SUR 5 SUR7:10 3 5 SUR 5 SUR7:20 4 6 SURESTE 6 SURESTE7:30 5 6 SURESTE 6.5 SURESTE7:40 6 5 SUR 6 SURESTE7:50 7 5 SUR 6 SURESTE8:00 8 6 SURESTE 6.5 SURESTE8:10 9 5 SUR 5 SUR8:20 10 5 SUR 6 SURESTE8:30 11 6 SURESTE 6 SURESTE8:40 12 5 SUR 5 SUR8:50 13 5 SUR 5 SUR9:00 14 6 SURESTE 5 SUR9:10 15 5 SUR 6 SURESTE9:20 16 5 SUR 6 SURESTE9:30 17 6 SURESTE 5 SUR9:40 18 5 SUR 6 SURESTE9:50 19 6 SURESTE 5 SUR10:00 20 5 SUR 6 SURESTE10:10 21 6 SURESTE 5 SUR10:20 22 5 SUR 5 SUR10:30 23 5 SUR 6 SURESTE10:40 24 6 SURESTE 5 SUR10:50 25 5 SUR 6 SURESTE11:00 26 5 SUR 5 SUR11:10 27 5 SUR 6 SURESTE11:20 28 6 SURESTE 5 SUR
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70
11:30 29 6 SURESTE 5 SUR11:40 30 5 SUR 6 SURESTE
De la ecuación 4.1 encontramos Z = -1.52.
La fig. 4.3 muestra la tendencia no tan marcada pero estadísticamente igual en
el sistema comercial y el sistema implementado.
Fig. 4.3 Dirección del viento de sistema comercial y Sistema implementado.
Prototipo de unidad meteorológica integral para monitoreo remoto y análisis de sistemas de energíarenovables
71
4.2 Datos obtenidos en el aerogenerador.
Se tomaron datos cada 10 segundos a lo largo de 24 horas y se obtuvo lo
siguiente:
Fig. 4.4 Datos registrados del aerogenerador.
Se transportaron los datos a Excel para ser analizados y se obtuvo la grafica
siguiente:
Fig. 4.5 Graficado de los datos.
Prototipo de unidad meteorológica integral para monitoreo remoto y análisis de sistemas de energíarenovables
72
CAPITULO V.
CONCLUSIONES
1. El uso del XBEE para transmitir toda la información que el sistema
recolecta fue muy versátil, nunca se tuvo problemas de comunicación
incluso en las condiciones críticas ambientales. Su versatilidad queda
manifiesta cuando se tuvo que programar para formar la red, funcionó a
la primera.
2. Se ha comprobado que el sistema cumple con el objetivo planteado en
la adquisición de datos meteorológicos de temperatura, humedad,
velocidad y dirección del viento.
3. No se tuvo problemas con la selección de los sensores porque son del
mismo fabricante WEATHERWISE INSTRUMENTS siendo estos de uso
comercial actualmente utilizados por estaciones meteorológicas, son
muy robustos para soportar cualquier variación climática y sobre todo
muy sensibles para detectar cualquier cambio en el clima.
4. Para la construcción de este sistema se tomó en cuenta las necesidades
de obtener una curva lineal a la salida de los sensores de humedad y
temperatura facilitando el procesamiento del microcontrolador para
obtener datos reales con un error mínimo.
5. El circuito integrado DHT11 presenta una sensibilidad de ± 5% en datos
medidos y trabaja en un rango entre 20% y 90% de humedad relativa
lo cual es apropiada. En temperatura tiene una tolerancia de ± 2%, y un
rango de operación de 0º a 50º, que es adecuado para su uso en la
región. Aunado a esto por ser de alimentación de 5V, fue adecuado para
ser utilizado con el ARDUINO, y compatible con el panel de la torre, que
eran abastecidos con la misma batería. Y un dato importante es barato y
accesible.
6. El uso de microcontrolador ARDUINO se ha hecho muy popular en la
universidad, porque se ha demostrado que las aplicaciones que se
Prototipo de unidad meteorológica integral para monitoreo remoto y análisis de sistemas de energíarenovables
73
requieren, fácilmente las saca adelante, así como la facilidad de editar
los programas en ese mismo rato, la programación es amigable.
7. La transmisión de un mensaje de texto se hace en un solo sentido es
decir solamente desde el sistema recolector hacia la estación central de
base de datos, mas no en sentido contrario.
8. El sistema registrador de datos cumple un tiempo exacto para enviar el
texto, la base de datos del microcontrolador es preciso no presentando
retrasos en la transmisión.
9. En las pruebas de comparación realizadas a este sistema, con el
sistema comercial y con la toma de datos de forma aleatoria concluimos
que este sistema es estadísticamente igual al sistema profesional en la
lectura de sensores.
10.Con el aerogenerador, por el umbral que presenta en su funcionamiento,
no se obtuvieron lecturas por debajo de 3 m/s de velocidad del viento,
por lo que no se pudo obtener una lectura de media adecuada, por lo
que se decidió a tomar lecturas de potencia cada 10 segundos, para
después totalizar los datos obtenidos, para de esta manera obtener
alrededor de 106 W.
11. El sistema se puede utilizar para monitorear otras variables como,
radiación solar, precipitación pluvial u otras variables, solo agregando
rutinas al programador principal.
Prototipo de unidad meteorológica integral para monitoreo remoto y análisis de sistemas de energíarenovables
74
CAPITULO VI.
RECOMENDACIONES
1. Una mejora sería incorporar en recopilador de datos un modulo RTC,
para tener el tiempo real en los datos recolectados.
2. También se puede incorporar una tablilla de memoria SD, para lugares
remotos de difícil acceso, y dejar recolectar por largos periodos de
tiempo.
3. Otra mejora para una nueva versión sería el incorporar un display LED
para visualizar en el sitio, los datos recolectados, ya que solamente son
visualizados en la computadora y es necesario llevarla allí.
4. La veleta es importante alinearla y orientarla hacia el norte geográfico
además es conveniente evitar el efecto de la torre ya que esta puede
distorsionar el sentido del viento.
5. Para un funcionamiento óptimo de este sistema se recomienda una
alimentación constante, ya que por cada corte de energía el sistema se
reinicia y empieza a funcionar desde cero perdiendo todos los datos
recolectados con anterioridad.
Prototipo de unidad meteorológica integral para monitoreo remoto y análisis de sistemas de energíarenovables
75
CAPITULO VII.
ANEXOS.
A. Programa ARDUINO para el sensor de humedad y temperatura DHT11Se traduce el programa del ARDUINO para realizar los procedimientos antesmencionados, y quedaría como sigue:
// Lectura del sensor de Humedad y Temperatura
#define DHT11_PIN 0 // Análoga pin 0
byte read_dht11_dat () {
byte i = 0;
byte result=0;
for(i=0; i< 8; i++){
while (!(PINC & _BV(DHT11_PIN))); // Espera hasta que el flanco asciende
delayMicroseconds(30);
if (PINC & _BV(DHT11_PIN))
result |= 1 << (7-i);
while ((PINC & _BV(DHT11_PIN))); // Espera hasta que el flanco desciende
}
return result;
}
void setup () {
DDRC |= _BV(DHT11_PIN); // Establecer DATA_PIN como salida
PORTC |= _BV(DHT11_PIN); // Llevar arriba DATA_PIN
Serial.begin(9600);
Serial.println(" Sensor DHT11 Preparado");
}
void loop () {
byte dht11_dat[5];
byte dht11_check_sum;
byte i;
// Enviar datos de lectura de señales
Prototipo de unidad meteorológica integral para monitoreo remoto y análisis de sistemas de energíarenovables
76
PORTC &= ~_BV(DHT11_PIN); // Llevar abajo DATA_PIN por 18ms
delay(18);
PORTC |= _BV(DHT11_PIN); // Llevar arriba DATA_PIN por 18ms
delayMicroseconds(40);
DDRC &= ~_BV(DHT11_PIN); // Establecer DATA_PIN como entrada
while (PINC & _BV(DHT11_PIN)); // Espera hasta que el flanco desciende
delayMicroseconds(100);
while (!PINC & _BV(DHT11_PIN)); // Espera hasta que el flanco desciende
delayMicroseconds(80);
// Recibir Datos
for (i=0; i<5; i++) {
dht11_dat[i] = read_dht11_dat();
}
DDRC |= _BV(DHT11_PIN); // Establecer DATA_PIN como salida
PORTC |= _BV(DHT11_PIN); // Llevar arriba DATA_PIN
// Verificar Suma de Chequeo
dht11_check_sum = dht11_dat[0] + dht11_dat[1] + dht11_dat[2] + dht11_dat[3];
if (dht11_dat[4] != dht11_check_sum) {
Serial.println("DHT11 checksum error");
return;
}
Serial.print("Humedad Relativa = ");
Serial.print(dht11_dat[0], DEC);
Serial.print(".");
Serial.print(dht11_dat[1], DEC);
Serial.print("%; ");
Serial.print("Temperatura = ");
Serial.print(dht11_dat[2], DEC);
Serial.print(".");
Serial.print(dht11_dat[3], DEC);
Serial.println("C");
delay(2000);
Prototipo de unidad meteorológica integral para monitoreo remoto y análisis de sistemas de energíarenovables
77
}B. Rutina de programación para los cuatro sensores.
/* Boceto Arduino para el dispositivo de tiempo de Sparkfun.
Utiliza sólo la aleta dirección del viento y el anemómetro (no el pluviómetro).
A pesar de la tendencia del registrador meteorológico es correr por largo
tiempo, debido a la forma Wiring.c implementa la función de Millis (), esto debe
ser reiniciado, oh, mensual. La función millis () desborda después de
aproximadamente 49 días. Podríamos permitir ese aquí, y manejar el
reciclamiento, pero tienes problemas más grandes de todos modos con el
delay () funcionar a un desbordamiento, lo que es mejor que "reiniciar".
=========================================================
ANEMOMETRO
=========================================================
Este está conectado a tierra Arduino en un lado, y el pin 2 (para el
attachInterrupt(0, ...) en el otro.
Pin 2 está levantado, y el interruptor reed en el anemómetro enviará este a
masa una vez por revolución, lo que dará lugar a la interrupción.
Contamos el número de revoluciones en 5 segundos, y se divide en 5.
Un Hz (rev/sec) = 1.492 mph.= 0.668 m/s
=========================================================
Veleta de dirección de viento
=========================================================
Utilizamos un divisor de voltaje clásico para medir la resistencia en la veleta,
que varía según la dirección.
El uso de una resistencia de 10K, nuestra lectura ADC será:
Prototipo de unidad meteorológica integral para monitoreo remoto y análisis de sistemas de energíarenovables
78
1023 * (R/(10000+R))
donde R es la resistencia desconocida de la paleta. Vamos a escalar el 1023 a
un rango de 255, de acuerdo con la hoja de docs.
Los valores de ADC que obtenemos para cada sentido (sobre la base de un
máximo de 255)
seguir, suponiendo que apunta lejos del centro de concentración está el sector
cero. El número de sector es que el sector de 45 grados es, a la derecha de la
dirección "lejos". La dirección muestra está asumiendo que "lejos" es
Occidente. Dependiendo de la forma que orientan el sistema, tendrá que
ajustar las direcciones.
Sector Lectura Dirección0 18 W1 33 NW2 57 N7 97 SW3 139 NE6 183 S5 208 SE
4 232 ELos valores de la tabla ADC siguientes enumeran los puntos medios entre
Éstos, por lo que la lectura puede variar un poco. Vamos a recoger el primer
valor
Eso es> = nuestra lectura.
=========================================================
VOLTAJE Y CORRIENTE DE LA BATERIA DE ALIMENTACIÓN
=========================================================
*********************************************************************/
Prototipo de unidad meteorológica integral para monitoreo remoto y análisis de sistemas de energíarenovables
79
#define uint unsigned int
#define ulong unsigned long
#define PIN_ANEMOMETER 2 // Digital 2
#define PIN_VANE 5 // Analog 5
#define DHT11_PIN 0 // Analog pin 0 entrada DTH11
//¿Con qué frecuencia se desea calcular la velocidad o dirección del viento?
#define MSECS_CALC_WIND_SPEED 50000
#define MSECS_CALC_WIND_DIR 50000
volatile int numRevsAnemometer = 0; // Se incrementa en la interrupción
ulong nextCalcSpeed; // La próxima vez que calc la velocidad del
viento
ulong nextCalcDir; // Cuando nos la próxima vez calc la dirección
ulong time; // Millis () en cada inicio del bucle ().
// Lecturas ADC:
#define NUMDIRS 8
ulong adc[NUMDIRS] = {26, 45, 77, 118, 161, 196, 220, 256};
// Estas direcciones coinciden 1-a-1 con los valores de ADC, pero
//tendrá que ser ajustada como se señaló anteriormente. Modificar 'dirOffset'
//a cuya dirección es "lejos" (es West aquí).
char *strVals[NUMDIRS] = {"E","SE","S","NE","SW","N","NW","W"};
byte dirOffset=0;
// DHT11 iniciar
byte read_dht11_dat () {
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80
byte i = 0;
byte result=0;
for(i=0; i< 8; i++){
while (!(PINC & _BV(DHT11_PIN))); // Espera hasta que el flanco asciende
delayMicroseconds(30);
if (PINC & _BV(DHT11_PIN))
result |= 1 << (7-i);
while ((PINC & _BV(DHT11_PIN))); // Espera hasta que el flanco desciende
}
return result;
}
//=======================================================
// Inicializar
//=======================================================
void setup() {
DDRC |= _BV(DHT11_PIN); // Establecer DATA_PIN como salida
PORTC |= _BV(DHT11_PIN); // Llevar arriba DATA_PIN
Serial.begin(9600);
Serial.println("Estacion metereologica TORRE2 Lista");
pinMode(PIN_ANEMOMETER, INPUT);
digitalWrite(PIN_ANEMOMETER, HIGH);
attachInterrupt(0, countAnemometer, FALLING);
nextCalcSpeed = millis() + MSECS_CALC_WIND_SPEED;
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81
nextCalcDir = millis() + MSECS_CALC_WIND_DIR;
}
//=======================================================
// Lazo principal.
//=======================================================
void loop() {
// DHT11
byte dht11_dat[5];
byte dht11_check_sum;
byte i;
// Enviar datos de lectura de señales
PORTC &= ~_BV(DHT11_PIN); // Llevar abajo DATA_PIN por 18ms
delay(18);
PORTC |= _BV(DHT11_PIN); // Llevar arriba DATA_PIN por 18ms
delayMicroseconds(40);
DDRC &= ~_BV(DHT11_PIN); // Establecer DATA_PIN como entrada
while (PINC & _BV(DHT11_PIN)); // Espera hasta que el flanco desciende
delayMicroseconds(100);
while (!PINC & _BV(DHT11_PIN)); // Espera hasta que el flanco desciende
delayMicroseconds(80);
// Recibir Datos
for (i=0; i<5; i++) {
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82
dht11_dat[i] = read_dht11_dat();
}
DDRC |= _BV(DHT11_PIN); // Establecer DATA_PIN como salida
PORTC |= _BV(DHT11_PIN); // Llevar arriba DATA_PIN
// Verificar Suma de Chequeo
dht11_check_sum = dht11_dat[0] + dht11_dat[1] + dht11_dat[2] + dht11_dat[3];
if (dht11_dat[4] != dht11_check_sum) {
Serial.println("DHT11 checksum error");
return;
}
Serial.print("Humedad Relativa = ");
Serial.print(dht11_dat[0], DEC);
Serial.print(".");
Serial.print(dht11_dat[1], DEC);
Serial.print("%; ");
Serial.print("Temperatura = ");
Serial.print(dht11_dat[2], DEC);
Serial.print(".");
Serial.print(dht11_dat[3], DEC);
Serial.println("C");
delay(50000);
// Sigue velocidad del viento y dirección
time = millis();
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83
if (time >= nextCalcSpeed) {
calcWindSpeed();
nextCalcSpeed = time + MSECS_CALC_WIND_SPEED;
}
if (time >= nextCalcDir) {
calcWindDir();
nextCalcDir = time + MSECS_CALC_WIND_DIR;
}
}
//=======================================================
//Interrumpir manejador para anemómetro. Se llama cada vez que el
//interruptor reed se dispare (una revolución).
//=======================================================
void countAnemometer() {
numRevsAnemometer++;
}
//=======================================================
// Encuentre la dirección de la veleta.
//=======================================================
void calcWindDir() {
int val;
byte x, reading;
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84
val = analogRead(PIN_VANE);
val >>=2; //Cambie a rango de 255
reading = val;
// Mira la lectura en la tabla de direcciones. Encontrar el primer valor
//esto es >= a lo que tenemos.
for (x=0; x<NUMDIRS; x++) {
if (adc[x] >= reading)
break;
}
//Serial.println(reading, DEC);
x = (x + dirOffset) % 8; // Ajuste para orientación
Serial.print(" Direccion: ");
Serial.println(strVals[x]);
}
//=======================================================
//Calcular la velocidad del viento, y lo mostrará (o registrarlo, lo que sea).
//1 rev / s = 1.492 mph = 0.6668 m / s
//=======================================================
void calcWindSpeed() {
int x, iSpeed;
// Esto producira mph(m/s) * 10
// (no calc correcto cuando se hace como una declaración)
long speed = 6668;
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85
speed *= numRevsAnemometer;
speed /= MSECS_CALC_WIND_SPEED;
iSpeed = speed; // Necesitas esto para formatear abajo
Serial.print("Velocidad del viento: ");
x = iSpeed / 10;
Serial.print(x);
Serial.print('.');
x = iSpeed % 10;
Serial.print(x);
numRevsAnemometer = 0; // Restablecer contador
}
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86
C. Tabla de probabilidad de una normal estándar Z
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87
D. Listas de parámetros de adquisición de las torres 1 y 2.
Muestras de la torre 1
Muestra de la torre 2
31/3/2014 6:49:26Humedad Relativa = 39.0 % Temperatura = 18.0 CVelocidad del viento: 3.2 m/s Direccion: S
31/3/2014 6:59:26Humedad Relativa = 39.0 % Temperatura = 18.0 CVelocidad del viento: 3.4 m/s Direccion: S
31/3/2014 7:9:26Humedad Relativa = 39.0 % Temperatura = 18.0 CVelocidad del viento: 3.7 m/s Direccion: S
31/3/2014 7:19:26Humedad Relativa = 40.0 % Temperatura = 18.0 CVelocidad del viento: 3.8 m/s Direccion: SE
31/3/2014 7:29:26Humedad Relativa = 40.0 % Temperatura = 18.0 CVelocidad del viento: 3.7 m/s Direccion: SE
31/3/2014 7:39:26Humedad Relativa = 40.0 % Temperatura = 18.0 CVelocidad del viento: 4.1 m/s Direccion: SE
31/3/2014 7:49:26Humedad Relativa = 40.0 % Temperatura = 18.0 CVelocidad del viento: 4.1 m/s Direccion: SE
31/3/2014 7:59:26Humedad Relativa = 41.0 % Temperatura = 18.0 CVelocidad del viento: 4.4 m/s Direccion: S
31/3/2014 8:9:26Humedad Relativa = 41.0 % Temperatura = 18.0 CVelocidad del viento: 4.2 m/s Direccion: SE
31/3/2014 8:19:26Humedad Relativa = 42.0 % Temperatura = 18.0 CVelocidad del viento: 4.2 m/s Direccion: SE
31/3/2014 8:29:26Humedad Relativa = 42.0 % Temperatura = 17.0 CVelocidad del viento: 4.2 m/s Direccion: S
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88
31/3/2014 8:39:26Humedad Relativa = 42.0 % Temperatura = 17.0 CVelocidad del viento: 4.4 m/s Direccion: S
31/3/2014 8:49:26Humedad Relativa = 43.0 % Temperatura = 17.0 CVelocidad del viento: 4.9 m/s Direccion: S
31/3/2014 8:59:26Humedad Relativa = 43.0 % Temperatura = 17.0 CVelocidad del viento: 4.3 m/s Direccion: SE
31/3/2014 9:9:26Humedad Relativa = 44.0 % Temperatura = 17.0 CVelocidad del viento: 3.9 m/s Direccion: SE
31/3/2014 9:19:26Humedad Relativa = 44.0 % Temperatura = 17.0 CVelocidad del viento: 4.7 m/s Direccion: SE
31/3/2014 9:29:26Humedad Relativa = 44.0 % Temperatura = 17.0 CVelocidad del viento: 4.2 m/s Direccion: S
31/3/2014 9:39:26Humedad Relativa = 45.0 % Temperatura = 17.0 CVelocidad del viento: 3.8 m/s Direccion: SE
31/3/2014 9:49:26Humedad Relativa = 45.0 % Temperatura = 17.0 CVelocidad del viento: 4.4 m/s Direccion: S
31/3/2014 9:59:26Humedad Relativa = 45.0 % Temperatura = 17.0 CVelocidad del viento: 4.5 m/s Direccion: SE
31/3/2014 10:9:26Humedad Relativa = 45.0 % Temperatura = 18.0 CVelocidad del viento: 4.0 m/s Direccion: S
31/3/2014 10:19:26Humedad Relativa = 46.0 % Temperatura = 18.0 CVelocidad del viento: 3.4 m/s Direccion: S
31/3/2014 10:29:26Humedad Relativa = 46.0 % Temperatura = 18.0 CVelocidad del viento: 3.8 m/s Direccion: SE
31/3/2014 10:39:26Humedad Relativa = 46.0 % Temperatura = 18.0 CVelocidad del viento: 3.8 m/s Direccion: S
31/3/2014 10:49:26Humedad Relativa = 46.0 % Temperatura = 18.0 CVelocidad del viento: 3.9 m/s Direccion: SE
31/3/2014 10:59:26Humedad Relativa = 46.0 % Temperatura = 18.0 CVelocidad del viento: 3.6 m/s Direccion: S
31/3/2014 11:9:26Humedad Relativa = 46.0 % Temperatura = 18.0 CVelocidad del viento: 3.5 m/s Direccion: SE
31/3/2014 11:19:26Humedad Relativa = 46.0 % Temperatura = 18.0 CVelocidad del viento: 4.0 m/s Direccion: S
31/3/2014 11:29:26Humedad Relativa = 46.0 % Temperatura = 18.0 CVelocidad del viento: 3.2 m/s Direccion: S
31/3/2014 11:39:26Humedad Relativa = 46.0 % Temperatura = 18.0 CVelocidad del viento: 3.4 m/s Direccion: SE
31/3/2014 11:49:26Humedad Relativa = 52.0 % Temperatura = 18.0 CVelocidad del viento: 3.5 m/s Direccion: SE
31/3/2014 11:59:26Humedad Relativa = 53.0 % Temperatura = 18.0 CVelocidad del viento: 3.8 m/s Direccion: E
31/3/2014 12:9:26Humedad Relativa = 52.0 % Temperatura = 18.0 CVelocidad del viento: 3.6 m/s Direccion: S
Prototipo de unidad meteorológica integral para monitoreo remoto y análisis de sistemas de energíarenovables
89
CAPITULO VIII.
REFERENCIAS.
1. Manual de Procedimientos para las Estaciones Meteorológicas. Compilado
por Enrique Castro Fonseca, Sarapiquí, Mayo 2008 Versión
2. LabVIEW programación para sistemas de instrumentación de Joaquin del
Rio Fernandez/ Shahram Sharlat-Panahi/ David Sarrià Gandul/ Antoni
Mànuel Làzaro; Alfaohmega.
3. Wind resource Assessment Handbook, Fundamentals for Conducting
a Successful Monitoring Program,
prepared by
National Renewable Energy Laboratory
1617 Cole Boulevard
Golden, CO 80401
4. El Estándar Inalámbrico ZigBee, Valverde Rebaza Jorge Carlos
Universidad Nacional de Trujillo
Trujillo – Perú – 2007
5. Estación Meteorológica PCE-FWS 20, manual de instalación, www.pce-
iberica.es
6. Hand son Zigbee, implementing 802.15.4 with microcontrols, Fred Eady,
Enbedded Technology series
7. Sam´s Teach youself C++ in 21 days second edition
8. DHT11 Humidity & Temperature Sensor, D-Robotics UK
(www.droboticsonline.com)
9. Guía rápida - http://www.arduino.cc/en/Guide/ArduinoXbeeShield
10.Cómo programar un Arduino de manera inalámbrica -
http://itp.nyu.edu/~raf275/meshnetworking/XBee/XBee_program_Arduino_w
ireless.html
11.Proyectos de Rob Faludi que involucran XBee -
http://itp.nyu.edu/~raf275/cgi-bin/mt/mtsearch.
cgi?IncludeBlogs=3&search=xbee
Prototipo de unidad meteorológica integral para monitoreo remoto y análisis de sistemas de energíarenovables
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12.El libro de Tom Igoe Making Things Talk - http://itp.nyu.edu/~raf275/cgi-
bin/mt/mtsearch.
cgi?IncludeBlogs=3&search=xbee
El manual del usuario de MaxStream -
13.http://www.makingthings.com/resources/datasheets/manual_xb_oem-
rfmodules_ 802.15.4.pdf
14.Un artículo muy completo por Fred Eady para Circuit Cellar -
http://www.circuitcellar.com/library/print/0906/Eady194/Index.htm
15.Tutorial para módulos XBee con el Make Controller -
http://www.makingthings.com/documentation/tutorial/xbee-wireless-
interface/tutorial-allpages
16.Estadística aplicada, Julián de la Horra Navarro.