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Estaciones Meteorológicas

Una estación meteorológica es un elemento fundamental a la hora de conocer las características climáticas de una zona concreta, algo esencial cuando queremos saber a que factores climáticos estará sometido un cultivo que necesita unas condiciones concretas, es por ello, que hemos desarrollado una estación meteorológica de bajo coste, con comunicación inalámbrica a través de LoRaWAN y cuyo funcionamiento no está determinado por la duración de la batería ya que incluye un pequeño panel solar.
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Esta estación meteorológica se ha desarrollado para poder medir parámetros como temperatura, humedad, precipitaciones, velocidad y dirección del viento, radiación solar, luz ultravioleta y presión barométrica.

Características Generales

Las características generales de la estación meteorológica no han cambiado mucho con respecto a versiones anteriores, en la última actualización tan solo se han corregido algunos problemas de hardware que se detectaron pero que no representaban problemas críticos, representando los mayores cambios los que se han hecho a nivel de firmware, esto ha llevado a aumentar la duración de la batería desde los 2 hasta los 10 días, siendo este un aumento considerable.

Como unidad de procesamiento se sigue manteniendo el ESP32, este microcontrolador ofrece margen de sobra en cuanto a potencia y memoria de almacenaje, por lo que no ha sido necesario sustituirlo, lo que si se ha limitado la potencia para contener los consumos de energía.

Los cambios apreciables en el Hardware son:

  • Integración del BME280 (sensor de temperatura, humedad y presión barométrica) en la placa principal.
  • Rediseño de la alimentación, colocando un bypass para alimentar directamente con energía procedente del panel solar en lugar de la batería.
  • Colocación de un amplificador operacional en la entrada de los sensores de radiación solar y ultravioleta para aumentar el nivel de señal y poder ajustarla mediante potenciómetro.

Autonomía y Batería

La autonomía ha sido el problema principal con el que nos hemos encontrado a la hora de integrar el dispositivo, en versiones anteriores, la capacidad de la batería permitía un funcionamiento durante 2 días sin ninguna fuente de luz, pero esto se vio que era totalmente insuficiente, ya que encadenando algún día de lluvia o niebla era muy difícil volver a recuperar la batería por sufrir un agotamiento excesivo.

El problema de autonomía solo podría abordarse de 2 formas, sustituir los componentes que más consumían por componentes de muy bajo consumo aumentando considerablemente el precio u optimizar el firmware (programa) para que pasara a modos de bajo consumo o de inactividad durante ciertos periodos de tiempo.

La solución por la que se optó es la de reducir la frecuencia de trabajo del microcontrolador (reduciendo su potencia) y la de crear ciclos de trabajo e inactividad, optimizando así en gran medida los consumos del sistema.

En la siguiente tabla pueden verse los consumos en los distintos modos de trabajo y frecuencias:

Modo/Frecuencia

240 MHz

80MHz

40 MHz

Normal

57mA

32mA

20mA

Light Sleep

2.52mA

2.52mA

2.52mA

Deep Sleep

1.28mA

1.28mA

1.28mA

 

La estación se ha configurado con una frecuencia de trabajo de 80MHz, lo que deja al sistema con un consumo en funcionamiento normal de 32mA, un 56,14% menor que en el anterior dispositivo, pero al combinar periodos en funcionamiento normal con periodos de sueño ligero o “Light Sleep”, el consumo medio del dispositivo se reduce a 7,43mA, lo que nos deja una duración de la batería de algo más de 11 días.

Sensórica

BME280

El BME280 es un sensor ambiental que incorpora presión barométrica, temperatura y humedad. Este sensor está diseñado por Bosh especialmente para aplicaciones IoT de muy bajo consumo y gran resolución.

En la versión anterior se usaba el BME680, este sensor tenía la capacidad de medir niveles de polución, pero para el proyecto que nos ocupa esta característica no nos es de utilidad, por lo que se ha optado por usar el BME280 que además tiene un menor precio

Anemómetro, veleta y pluviómetro

El pack de anemómetro, veleta y pluviómetro es fundamental en toda estación meteorológica, es por ello que se ha incluido en nuestro diseño. Esto nos proporcionará datos extra para poder asocial la salud de los cultivos con parámetros meteorológicos como pueden ser las precipitaciones.
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Sobre esta estructura se montan el resto de los sensores y dispositivos, como pueden ser la propia estación meteorológica con el panel solar incluido, y el escudo térmico que contiene el sensor de temperatura y humedad SHT20.

Sensor de Temeratura y Humedad (SHT20)

La estación meteorológica dispone de un sensor de temperatura y humedad SHT20 con un encapsulado blindado que le confiere una gran resistencia a las inclemencias del tiempo. El SHT20 es un sensor digital que al igual que el BME280 utiliza el bus I2C para comunicarse, este sensor está totalmente calibrado y cuenta con una resolución de ±3% de humedad y ±0.3C° de temperatura.
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Este sensor está diseñado para aplicaciones de muy bajo consumo, por lo que es ideal para integrarlo en el proyecto como sensor externo.

SQ 110 (Radiación Solar)

Se trata de un sensor de radiación solar que se centra en la medición de longitudes de onda que van de los 380 a los 670 nanómetros.
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SU100 (Ultravioleta)

Con el sensor de ultravioleta se pueden medir la intensidad con la que se emiten los UV C, UV B y los UV A. En la gráfica puede verse la respuesta del sensor ante estas longitudes de onda determinadas.
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Envolvente

En lo que se refiere a la envolvente utilizada para la estación meteorológica no ha cambiado demasiado, en cuando al diseño, se ha modificado la forma en la que los cables acceden al interior, colocándose una junta de goma en lugar del prensaestopas que se había colocado en la versión anterior.
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El material utilizado en la garra se ha sustituido por resina, este cambio ha venido impuesto por la baja resistencia que había mostrado tanto el PLA como el ABS a las altas temperaturas, doblándose con facilidad debido a la acción del calor y el peso de la propia estación.
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