2014 ii c02t-estacion meteorologica
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El documento presenta información sobre una estación meteorológica diseñada con Arduino y Raspberry Pi. Incluye detalles sobre sensores meteorológicos, ontologías, arquitecturas, códigos de programación, y algoritmos de pronóstico y diagnóstico para la estación.
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Lenguajes de Programación de Alto Nivel
•C++ [Arduino]
–Orientado a objetos
–Herencia múltiple
•Python[Raspberry]
–Orientado a objetos
–Herencia simple](https://image.slidesharecdn.com/2014ii-c02t-estacionmeteorologica-140910120938-phpapp01/85/2014-ii-c02t-estacion-meteorologica-16-320.jpg)
2014 ii c02t-estacion meteorologica
- 1. Page 1 Universidad de Huánuco Facultad de Ingeniería de Sistemas e Informática
- 2. Page 2 Agenda •Base del Conocimiento •Motor de Inferencia •Medios de Comunicación
- 3. Page 3 ¿Cómo Investigamos un Sistema Basado en el Conocimiento? Definir el Problema Realizar Investigación del Tema Especificar los Requerimientos Lluvia de Ideas, Evaluación y Selección de la Solución Desarrollar y Prototipar la Solución Probar la Solución Comunicar los Resultados La Solución cubre totalmente los Requerimientos La Solución cubre parcialmente los Requerimientos o No Basado en los resultados y datos, hacer cambios de diseño, prototipar y probar de nuevo y revisar los nuevos datos. Hacerse una Pregunta Realizar Investigación del Tema Construir una Hipótesis Probar con un Experimento ¿Funciona el Procedimiento? Analizar la Data y Esbozar las Conclusiones Comunicar los Resultados Resultados alineados con la Hipótesis Resultados parcialmente alineados o No con la Hipótesis Data experimental se convierte en el tema de investigación para el nuevo o futuro proyecto. Formular nueva pregunta, formular nueva Hipótesis, experimentar denuevo! No Si Solucionar la falla del Procedimiento. Verifique y configure cuidadosamente todos los pasos.
- 4. Page 4 Método Científico versus Método de Ingeniería Método Científico Método del Proceso de Diseño de Ingeniería Establecer una pregunta o problema Definir un problema o necesidad Conseguirinformación respecto al tema Conseguirinformación respecto al tema Formular una Hipótesis; identificar las variables Establecer criterios o parámetros de diseño Diseñarel experimento, establecer el procedimiento Preparar diseños preliminares Probar la Hipótesis mediante un experimento Construir y probar el Prototipo Analizar los resultadosy esbozar conclusiones Verificar, probar y rediseñar lo suficiente Presentar los resultados Presentar resultados
- 5. Page 5 Metodologíade TrabajodelProyecto: Enfoquede Marco Lógico(EML) (Enfoque de Marco Lógico –EML) (Matriz de Marco Lógico)
- 6. Page 6 Base del Conocimiento Ontología de una Estación Meteorológica Arquitecturas Escalables Estructuras de Persistencia Lenguajes de Programación de Alto Nivel
- 7. Page 7 Ontología de una Estación Meteorológica Clasificación de las Estaciones Meteorológicas según OMM Según su Finalidad Clasificación Sinóptica Climatológicas Agrícolas Especiales Aeronáuticas Satelitales De acuerdo a la magnitud de las observaciones Principales Ordinarias Auxiliares o adicionales Por el nivel de observación Superficie Altitud Según el lugar de observación Terrestre Aéreas Marítimas
- 8. Page 8 Instrumentos Meteorológicos Instrumento Descripción Gráfico Anemógrafo Registra continuamente la dirección (grados) de la velocidad instantánea del viento (m/s), la distancia total (en km) recorrida por el viento en relación con el instrumento y las ráfagas (en m/s). Anemómetro Mide la velocidad del viento (m/s) y, en algunos tipos, también la dirección (en grados). Barógrafo Registra continuamente la presión atmosférica en milímetros de mercurio (mm Hg) o en milibares (mb). En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad de presión es el hectopascal (hPa). 1 hPa = 1 mb. Barómetro de Mercurio Instrumento para medir la presión atmosférica, la cual se equilibra con el peso de una columna de mercurio. Las unidades son el milímetro de mercurio (mm Hg), el milibar (mb) o el hectopascal (hPa).
- 9. Page 9 Instrumentos Meteorológicos
- 10. Page 10 Instrumentos Meteorológicos
- 11. Page 11 Arquitecturas Escalables
- 12. Page 12 Codiseñode la Estación Meteorológica Servidor Local de la Estación MeteorológicaServidor Remoto de la Estación Meteorológica(Raspberry-Pi) Usuario de la Estación MeteorológicaMódulo de Adquisición de Señales MeteorológicasMódulo de Predicción MeteorológicaMódulo de Reportes WebTarjeta de Adquisición de Señales Meteorológicas(Arduino)
- 13. Page 13 Diagrama de Bloques de la Estación Meteorológica Obtención de señales reales Meteorológicas de la Tarjeta de Adquisición de Sensores Arduino. Procesamiento para Filtrado y Reducción de Dimensiones de Señales Meteorológicas. Almacenamiento de Patrones Meteorológicos en el Analizador Raspberry-Pi. Repositorio de Señales Meteorológicas vía Plataforma Web sobre BD SQLite. Agrupación de la Señal Meteorológica. (Entorno Matlab-Labview) Implementación en Matlab del Algoritmo de Pronóstico. Programación del Analizador Meteorológico en Matlab y validación con la Base de Datos Meteorológicos del SENAMHI-HCO.
- 14. Page 14 Arquitectura de Sensores Sensor Código Características Temperatura DS18B20 Es un sensor de temperatura digital, que utiliza el protocolo de bus MAXIM de 1 cable tanto para recibir como transmitir datos. Humedad HIH-4000 Requiere fuente de 5 Vdc, agregando un divisor de voltaje a la salida se obtiene el rango de tensión necesario que la entrada analógica del Arduino necesita. Posee un rango de operación de temperatura entre -40°C y 84°C y una precisión +/- 3.5% HR. Presión MPX4250A Requiere fuente de 5 Vdc, agregando un divisor de voltaje a la salida se obtiene el rango de tensión necesario que la entrada analógica del Arduino necesita. Posee un rango de 20 a 250 kPa (2.9 psi a 36.3 psi). Su rango de temperatura de trabajo oscila entre -40 °C hasta 125 °C. SMS SIM900 GPRS Shield que permite enviar mensajes de texto vía Tarjeta SIM para alertar sobre estado climático. GPS NEO-6M-0- 001 uBlox GPS Shield que permite tomar lecturas en coordenadas geo referenciales de la ubicación de la Estación Meteorológica a una frecuencia de 1575.42 MHz. Cámara Digital Cámara Raspberry Pi Permite adquirir fotos y/o videos de las nubes donde está ubicado la Estación Meteorológica. RV1 1k 1 2 3 MPX4250A Sensor de Presion +5Vdc C1 47pF R1 100k R2 100k Presión 1 2 3 HIH-4000 Sensor de Humedad +5Vdc R3 100k R4 100k Humedad 1 2 3 DS18B20 Sensor de Temperatura +5Vdc C3 104F Temperatura RV1 1k 1 2 3 MPX4250A Sensor de Presion +5Vdc C1 47pF R1 100k R2 100k Presión 1 2 3 HIH-4000 Sensor de Humedad +5Vdc R3 100k R4 100k Humedad 1 2 3 DS18B20 Sensor de Temperatura +5Vdc C3 104F Temperatura MPX4250A Presion 4000 Humedad 1 2 3 DS18B20 Sensor de Temperatura +5Vdc C3 104F Temperatura
- 15. Page 15 Estructuras de Persistencia
- 16. Page 16 Lenguajes de Programación de Alto Nivel •C++ [Arduino] –Orientado a objetos –Herencia múltiple •Python[Raspberry] –Orientado a objetos –Herencia simple
- 17. Page 17 Características Generales del ArduinoUNO •La filosofiaOpenSource–CodigoAbierto- que lo sustenta. •La comunidad formada a su alrededor. •La sencillez del lenguaje de programación. •El hardware de bajo costo. •Microcontrolador: ATMega328 •Voltaje de operación: 5V DC •Voltaje de alimentación: 7 –12V DC •Pines digitales I/O: 14 (6 Con PWM) •Pines entrada analógica: 6 •Interfaz de programación: USB •Frecuencia del Reloj: 16 Mhz
- 18. Page 18 Programación del Arduino -Distribucióndepines Pinesdigitales(14):lospinesdigitales,etiquetadosdel2al13puedenserconfiguradostantocomoentradacomodesalida,ysuvalorsólopuedetenerdosestados:HIGH/LOW,encendido/apagado,… Lospines0y1estándestinadosparalacomunicaciónserial.Entrelospinesdigitalesdisponemostambiénde6pinesquesepuedenconfigurarcomosalidademodulaciónporpulsos(PWM)dóndeadmitenvaloresentre0y255,sonlospines3,5,6,9,10y11. Pinesanalógicos(6):lospinesanalógicos, etiquetadosdel0al5sólopuedenusarsecomoentrada,yobtienenvaloresentre0y1023dondepodemosconectarcualquiersensorquenosdéunvaloranalógico(sensordetemperatura,deproximidad, etc).Estospinessedeclarancomoentradaautomáticamente. Pinesdealimentación(6):sonlospinesdóndeobtenemoslaalimentacióndesalida(5v,3,3vymasa) paraloscomponentesdenuestrocircuito.Endeterminadasocasionesesnecesarioalimentardichoscomponentesoplacas,atravésdeunafuentedealimentaciónexterna.
- 19. Page 19 Código Fuente del Arduino 27.0 DQ 2 VCC 3 GND 1 U1 DS18B20 250.0 1 2 3 4 5 6 M1 MPX4250 RV1 1k 1 2 3 MPX4250A Sensor de Presion +5Vdc C1 47pF R1 100k R2 100k Presión 1 2 3 HIH-4000 Sensor de Humedad +5Vdc R3 100k R4 100k Humedad 27.0 DQ 2 VCC 3 GND 1 U1 DS18B20 250.0 1 2 3 4 5 6 M1 MPX4250 RV1 1k 1 2 3 MPX4250A Sensor de Presion +5Vdc C1 47pF R1 100k R2 100k Presión 1 2 3 HIH-4000 Sensor de Humedad +5Vdc R3 100k R4 100k Humedad 1 2 3 DS18B20 Sensor de Temperatura +5Vdc C3 104F Temperatura
- 20. Page 20 Características Generales del RaspberryPi •Dualcore ARM cortex-A7 processor, NEON, VFPv4, 512KB L2 cache. •Mali400mp2, OpenGLES GPU. •1GB DDR3 @480MHz. •HDMI 1080p Output. •100M Ethernet. •4Gb NandFlash. •2 USB Host, 1 micro SD slot, 1 SATA. •96 extendpin includingI2C, SPI, RGB/LVDS, CSI/TS, FM-IN, ADC, CVBS, VGA, SPDIF-OUT, R-TP. •SoportaAndroid, Ubuntuy otrasdistribucionesde Linux.
- 21. Page 21 Código Fuente del RaspberryPiFramework de la Estación Meteorológica Diseño del HardwareDiseño del SoftwareComprobación de Resultados Capas de AbstracciónSe utiliza Matlab para comprobar los resultados experimentales de los algoritmos de pronóstico vía regresión lineal múltiple. Se utiliza la plataforma web y SQLite del RaspberryPi para almacenar la data proveniente de los sensores conectados al Arduino, para su análisis computacional. Se utiliza Proteus con RaspberryPi y Arduino para desarrollar el prototipo de la Estación Meteorológica.
- 22. Page 22 Utilitarios para Gestionar el RaspberryPi •Putty-> Terminal remoto de una sesión Linux. •SQLiteBrowser-> Visualizar contenido de la base de datos. •PHP Designer-> Entorno de programación PHP para entorno web.
- 23. Page 23 Herramientas Utilizadas Alcance Herramientas Descripción Simulación Matlab Esunentornodesimulaciónquesoportalasoperacionesmatricialesderegresiónlinealsimpleymúltiple. Aplicación Python,PHPySQLiteparaRaspberryPi EsunentornodeaplicacióndondeseprogramadocódigopararecolectardatosdelossensoresyalmacenarlosenunabasededatosSQLiteypublicadosenunentornoweb. SimulacióndelentornoHardware Proteus/Labview EsunentornodesimulaciónquepermitevalidareldiseñodelhardwaredeadquisicióndelosSensoresconelmicrocontroladorArduino. Aplicación C++paraArduino SeutilizóC++paraeldesarrollodeldriverqueadquierelosdatosdelossensoresparaenviarlosalatarjetacentraldelRaspberryPi. Aplicación PHPDesigner SeutilizóelcontenedorwebparavisualizarlosdatosalmacenadosenSQLite,empleandoelIDEPHPDesignerparaprogramarelcódigo.
- 24. Page 24 Motor de Inferencia Algoritmos de Diagnóstico Algoritmos de Pronóstico
- 25. Page 25 Algoritmos de Diagnóstico
- 26. Page 26 AORD: Arquitectura Orientada a Regulaciones Disciplinarias 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Sistema Reproductor Macro Proceso de Recursividad Sistémica Sistema Inmunológico Macro Proceso de Monitoreo Regulatorio Sistema Hormonal o Endocrino Macro Proceso de Evolución Cibernética Organizacional Sistema Nervioso Macro Proceso de Coordinación Organizacional Sistema Excretor o Urinario Macro Proceso de Gestión de Legajo Institucional Sistema Circulatorio Macro Proceso de Mejora Contínua Sistema Respiratorio Macro Proceso de Comunicación Organizacional Sistema Digestivo Macro Proceso de Gestión de Capacidades Humanas Sistema Óseo Macro Proceso de Mejoramiento de Infraestructura Sistema Muscular Macro Proceso de Servicio al Usuario N° Ente Humano Ente Institucional Detalle de los Sistemas Humanos Detalle de los Macro Procesos Macro Proceso Modo de Identificación M1: Macro Proceso de Servicio al Usuario, representa la analogía con el Sistema Muscular Humano. Procesos orientados a la razón de ser de la institución cuyo servicio se brinda principalmente a los usuarios externos. M2: Macro Proceso de Mejoramiento de Infraestructura, representa la analogía con el Sistema Óseo. Procesos orientados a mejorar la infraestructura existente de la organización (mobiliario, inmobiliario, equipamiento, etc.), clave para dar soporte a los servicios operativos. M3: Macro Proceso de Comunicación Organizacional, representa la analogía con el Sistema Respiratorio. Procesos que permiten brindar una adecuada comunicación entre la organización y el entorno externo, principalmente con los Actores multisectoriales involucrados. M4: Macro Proceso de Gestión de Capacidades Humanas, representa la analogía con el Sistema Digestivo. Procesos que permiten mejorar las habilidades técnicas, metodológicas, éticas, etc., del personal de la institución, de modo tal que permita transformar la organización en base al conocimiento de avanzada. M5: Macro Proceso de Gestión de Legajo Institucional, representa la analogía con el Sistema Excretor o Urinario. Procesos orientados a gestionar los documentos, con énfasis al legajo institucional basado en estándares de calidad de gestión documentaria. M6: Macro Proceso de Mejora Continua, representa la analogía con el Sistema Circulatorio. Procesos orientados a implementar mejoras a todo nivel, organizativo, metodológico, tecnológico, de recursos, etc., en todas las unidades orgánicas. M7: Macro Proceso de Evolución Cibernética Organizacional, representa la analogía con el Sistema Hormonal o Endocrino. Procesos orientados a regular la asignación de recursos económicos a las unidades orgánicas basadas en objetivos, metas y lineamientos institucionales. M8: Macro Proceso de Coordinación Organizacional, representa la analogía con el Sistema Nervioso. Procesos orientados a garantizar una adecuada respuesta de sobrevivencia frente a eventos inesperados, de riesgo u desastres. M9: Macro Proceso de Recursividad Sistémica, representa la analogía con el Sistema Reproductor. Procesos que garantizan la creación y gestión de sedes desconcentradas a menor escala en la zona de intervención territorial de la organización. M10: Macro Proceso de Monitoreo Regulatorio, representa la analogía con el Sistema Inmunológico. Procesos orientados al cumplimiento de la normativa vigente de la organización para las diversas unidades orgánicas.
- 27. Page 27 Modelo de Mejora Continua
- 28. Page 28 Algoritmos de Pronóstico Técnicas de PronósticoModelos CualitativosModelos de Series de TiempoModelos CausalesMétodo de Entrevista DelphiConsultas a ProveedoresMétodo de EncuestasPromedio MóvilSuavizamiento ExponencialProyección de TendenciasRegresión SimpleRegresión Múltiple
- 29. Page 29 Detalle de las Técnicas de Pronóstico Tipo de Pronóstico de Series de Tiempo Característica Aplicaciones Típicas en el Estudio de Campo RegresiónLineal Silarelaciónentrelasdosvariablesestádeterminadaporunarectadelaforma: y=mx+b=b0+b1*X. PronósticodePBI,usuariosdetelefoníafija,telefoníapública, etc. RegresiónExponencialSemi/Logarítmica Silarelaciónentrelasdosvariablesestádeterminadaporunaexpresióndelaforma: ó . Pronósticodecrecimientopoblacional,ÍndicedePenetracióndeServicios,etc. RegresiónExponencialGompertz Silarelaciónentrelasdosvariablesestádeterminadaporunaexpresióndelaforma:. Pronósticodeserviciospúblicostelefoníamóvil,internet,etc.
- 30. Page 30 Medios de Comunicación Sensores Actuadores Enlace
- 31. Page 31 Características de los Sensores y Actuadores Sensor Código Características Temperatura DS18B20 Esunsensordetemperaturadigital,queutilizaelprotocolodebusMAXIMde1cabletantopararecibircomotransmitirdatos. Humedad HIH-4000 Requierefuentede5Vdc,agregandoundivisordevoltajealasalidaseobtieneelrangodetensiónnecesarioquelaentradaanalógicadelArduinonecesita.Poseeunrangodeoperacióndetemperaturaentre-40°Cy84°Cyunaprecisión+/-3.5%HR. Presión MPX4250A Requierefuentede5Vdc,agregandoundivisordevoltajealasalidaseobtieneelrangodetensiónnecesarioquelaentradaanalógicadelArduinonecesita.Poseeunrangode20a250kPa(2.9psia36.3psi).Surangodetemperaturadetrabajooscilaentre-40°Chasta125°C. SMS SIM900 GPRSShieldquepermiteenviarmensajesdetextovíaTarjetaSIMparaalertarsobreestadoclimático. GPS NEO-6M-0- 001uBlox GPSShieldquepermitetomarlecturasencoordenadasgeoreferencialesdelaubicacióndelaEstaciónMeteorológicaaunafrecuenciade1575.42MHz. CámaraDigital CámaraRaspberryPi Permiteadquirirfotosy/ovideosdelasnubesdondeestáubicadolaEstaciónMeteorológica.
- 32. Page 32 Sensores de la Estación Meteorológica Prototipo
- 33. Page 33 Actuadores de la Estación Meteorológica Prototipo
- 34. Page 34 Enlace de los Medios de Comunicación Satélite y TV Telefonía Redes Asimétricas de Gran Ancho de Banda Redes Simétricas de Gran Ancho de Banda BAJO ALTO ALTO BAJO Ancho de Banda Requerido por el Usuario Final al Proveedor Ancho de Banda Ofertado por el Proveedor al Usuario Final 1.5 Mbits ó Superior Telefonía Básica Servicios de Información TV por Demanda TV Pública y Internet TV Privada Satelital Transacciones Financieras Internet xDSL Video por Demanda Video Conferencia Televisión IP Tele Presencia Interconexión LAN/MAN/WAN <9.6 Kbps 9.6Kbps ALTA BAJA Tasa de Transferencia de Datos Demanda Masiva del Mercado Servicios de Mensajería Corta (SMS) Verificación de Tarjetas de Crédito Fax Web Clipping Banca Electrónica / Comercio Electrónico Datos de Baja Velocidad Voz IP PTT Oficina Remota Mensajería Multimedia Multimedia WWW Transferencia de Grandes Archivos Streaming de Audio / Video Juegos Interactivos y Entretenimiento Video Conferencia / Multimedia Video Broadcast Limitado Computación en Redes TV IP / TV HD Aplicaciones en Nube Tele Presencia 14.4 Kbps 44 Kbps - 64 Kbps 144 Kbps 384 Kbps - 2 Mbps GSM/GPRS/EDGE UMTS/HSDPA/HSPA+ LTE 100 Mbps
- 35. Page 35 Sistema de Energizado
- 36. Page 36 Sistemas Basados en el Conocimiento