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Este proyecto tiene como objetivo diseñar un prototipo que realice mediciones de algunos factores meteorológicos: la velocidad y dirección del viento, la temperatura ambiental, y la detección de ondas sísmicas; para ello, se desarrollará un prototipo compuesto por un anemómetro ultrasónico y un detector de sismos, sin el uso de partes móviles con el fin de ofrecer un equipo más económico y que requiera de un mantenimiento más sencillo y menos frecuente.
La implementación del anemómetro está basada en el uso de sensores ultrasónicos que permitan medir la temperatura ambiental, la velocidad y la dirección del viento, por medio de un procesamiento digital de la señal. Por otra parte, el detector de ondas sísmicas se implementa mediante el uso de un sensor acelerómetro que permite registrar actividades físicas de la superficie en la que se encuentra, y así detectar los movimientos de la corteza terrestre y medir su aceleración.
El hardware del prototipo consta de los siguientes bloques: el sistema de monitoreo (mediciones que realizan los sensores), el sistema de acondicionamiento y adquisición de la señal, y sistema de control (procesamiento de la señal y cálculos matemáticos). A su vez, se cuenta con un software, cuyo diseño se basa en la transmisión de datos por medio de comunicación serial entre la tarjeta programable y una computadora, que permita presentar los datos, así como la configuración del prototipo y la descarga de los mismos, para un análisis de las condiciones climáticas, basadas en la comparación de las mediciones obtenidas y los rangos normales de dichas condiciones para poder generar estados de alerta.
Los parámetros medidos se presentan de forma analógica y digital, son procesados por el sistema de control, que consta de tarjeta programable DEMOQE128. Luego, estos datos son procesados en la plataforma diseñada en "Processing", donde se realizan los cálculos de la temperatura, velocidad y dirección que permite realizar el monitoreo y la presentación de datos.
Asimismo, el prototipo del hardware consta de un diseño sin partes móviles, es decir, sin el uso de sensores móviles o motores, que permita realizar las funciones de un anemómetro mecánico evitando los daños producidos en el equipo por el desgaste progresivo que genera el movimiento y el efecto de los factores ambientales sobre el funcionamiento de los ejes de movilidad de los sensores; a fin de proporcionar un sistema de medición de bajo costo y que no requiera mantenimiento continuo.
El diseño mecánico del prototipo consta de la implementación de diversos sensores analógicos y digitales, fijados en un mismo esquema físico pero realizando mediciones de forma independiente del resto.
Para el caso del sistema de medición de la temperatura ambiental, la velocidad y la dirección del viento, se utiliza un sistema con cuatro sensores ultrasónicos orientados en dos ejes: Norte-Sur y Este-Oeste. La onda de ultrasonido es una onda acústica de frecuencia imperceptibles por el oído humano, que poseen una dirección de propagación longitudinal, permitiendo emplear las mediciones en función de la propagación de la misma entre un transmisor y un receptor.
Considerando los parámetros:
- d: distancia entre los dos sensores ultrasónicos ubicados en el mismo eje (debe ser igual para cada eje) [m]
- t1 y t2: tiempos de tránsito que tarda la señal de ir de un sensor a otro en el mismo eje [s]
- VN-S y VE-O: velocidad del viento paralela a cada eje [m/s]
- T: temperatura del ambiente [K]
- c: velocidad del sonido [m/s]
- V: velocidad del viento considerando las componentes de cada eje [m/s]
- Θ: ángulo de la dirección del viento [°]
Se tienen las siguientes expresiones matemáticas empleadas para el procesamiento de las señales de los receptores:
- Tiempo de vuelo entre los sensores para las cuatro direcciones posibles.
- Velocidad del viento paralela a cada eje.
- Velocidad del sonido para cada eje.
- Velocidad del sonido en función de la temperatura.
- Temperatura para cada eje.
- Velocidad total de viento.
- Temperatura ambiental (promedio de cada eje).
- Dirección del viento.
Para el caso de la detección de ondas sísmicas, se usará un acelerómetro analógico de un sólo eje que tiene como salida un voltaje, que representa los cambios en el eje de rotación Z, estos voltajes se pueden relacionar con la posición y así, por medio de las ecuaciones de movimiento pueden lograrse las mediciones que se desean para el detector.
Siendo las ecuaciones de movimiento mostradas a continuación:
Asimismo, cada señal recibida por los sensores pasará por una etapa de acondicionamiento y adquisición, que luego serán digitalizadas y programadas desde la PC gracias al sistema de desarrollo de bajo costo de microcontroladores freescale DEMOQE128, que utiliza un entorno de desarrollo integrado (IDE) llamado “CodeWarrior” en su modo “Processor Expert”, para obtener las mediciones realizadas por los sensores.
Las mediciones serán enviadas por medio de comunicación serial a una aplicación en la PC, diseñada en el lenguaje de "Processing", para observar de manera gráfica lo obtenido en un principio por los sensores aplicados que conforman la estación meteorológica. En principio, esta aplicación contará con:
- Brújula, que indica la dirección del viento.
- Indicador de la velocidad del viento.
- Termómetro, que indica la temperatura.
- Alerta de sismo.
Para navegar sobre esta wiki, donde se explican los algoritmos utilizados para el desarrollo de este proyecto, se recomienda seguir los siguientes links:
Documentación CodeWarrior. Documentación Processing.
De la misma manera, para acceder a toda la documentación del hardware utilizado para este proyecto,