TALLER miniMET

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La definición de la estación meteorológica automámica abierta miniMET se puede tratar según el diagrama de bloques de la imagen:

SENSORES METEOROLÓGICOS Y DE COMPOSICIÓN DEL AIRE: Los sensores elegidos deben ser comunes a todas las estaciones debido a la importancia de tener medidas comparables entre estaciones. Importa pues la variación de una medida en el espacio y en el tiempo, es decir entre estaciones y a lo largo del día, más que sus valores absolutos que no pueden ser valores de referencia. Esto es debido a su característica de bajo coste y siguiendo las pautas de la OMM para su uso explicadas en el apartado siguiente de "Sensores de bajo coste".

UNIDAD CENTRAL DE PROCESO (CPU): Gestiona la lectura de los sensores y la transmisión de los medidas leidas así como la de algunos valores calculados como máximas, mínimas o acumulaciones. Debe tener por tanto capacidad de almacenamiento y procesamiento de datos, y también de transmisión remota de los mismos por medio preferentemente de Internet, aunque se podrían desarrollar otros medios de transmisión cuando el anterior no esté disponible. Debe ser por tanto programable en algún lenguaje de alto nivel asequible como Python, LUA o C#. Desarrollaremos varios prototipos agrupados en tres familias descritas con más detalle en el apartado "CPU Base prototipos".

COMUNICACIONES: Como dispositivo "conectado" (IoT) la estación deberá tener de manera estandar y obligada, conexión a Internet, es decir acceso a un router operativo las 24h con conexiones WIFI y/o de cable (ethernet). La conexión RJ45 con cable ethernet es más estable en general y permite llegar hasta los 100m de longitud total utilizando cable bueno (Cat6) y preferentemente un router gigabyte. La conexión WIFI puede estar sujeta a más interferencias sin bien la nueva wifi de 5Ghz (comúnmente llamada Wifi Plus) es más estable y potente, con mayor alcance. Sólo los dispositivos más modernos admiten esta conexión Wifi Plus.

Como alternativa para aquellos casos aislados que no dispongan conexión a internet, y que se podrían plantear y desarrollar en el futuro, estarían la comunicación por RF para alcanzar por medio de transceptores hasta un equipo base que sí disponga conexión a internet, o incluso tramsmisión por GMS, aunque esta última requeriría el pago adicional de una tarjeta SIM, es decir de una cuenta de telefonía móvil.

GARITA Y CONTENEDORES: En un taller de bricolage explicaremos la necesidad y los principios para construir una garita de abrigo para proteger los componentes y sensores sensibles de la radiación directa solar. Se basará en bandejas de plástico fácilmente manipulables y para ello necesitaremos determinadas herramientas mínimas basadas en pequeños taladros tipo Dremel que detallaremos en una lista aparte.

GESTIÓN DE LA ENERGÍA: la estación funciona con corriente continua de 5V y un consumo de unos 2 amperios (DC 5V2A). Bastaría por tanto con disponer en el interior y conectado a la red eléctrica un cargador de móviles de esas características llevando esa corriente hasta la estación. En la práctica incorporaremos siempre un conversor AC/DC dentro de la estación con lo que deberemos hacer llegar hasta ella un cableado de corriente eléctrica normal, AC de 220/230V.

Sobre este mínimo y en un siguiente escalón plantearemos la necesidad de una batería de respaldo para prevenir apagados bruscos por cortes o bajadas de tensión, lo que implicará determinado hardware de gestión y opcionalmente la posibilidad de utilizar paneles solares.

Los sensores utilizados son del tipo denominado "de bajo coste" por lo que no deben ser tomados en ningún caso como medidas de referencia, si bien deben ser comparables entre sí dentro del grupo de estaciones miniMET. Seguimos así las recomendaciones más recientes de la OMM al respecto:

Jornada en el MAPAMA sobre sensores de bajo coste (5 de junio de 2018): "En las últimas décadas, y con mayor intensidad en el último lustro, se han desarrollado sensores de bajo o medio coste para la medida de determinados contaminantes atmosféricos. Sus aplicaciones han sido muy diversas, pero en ningún caso han pretendido sustituir las medidas de equipos de referencia de la legislación vigente en calidad del aire. Existen limitaciones importantes en el uso masivo de estos sensores de bajo coste, tanto en cuanto a la exactitud y la precisión como al límite de detección, y estas limitaciones son diferentes para cada contaminante. Pero también suponen oportunidades de expandir la densidad de las medidas en tiempo real. Tanto es así que recientemente la Organización Mundial de Meteorología (OMM) ha producido un informe técnico que revisa estas limitaciones y oportunidades, en lo referente a su uso en calidad del aire.":Jornada_MAPAMA_sensores_bajo_coste.pdf
WMO Technical advice on lower cost air pollution sensors:
WMO_GAW_Sensors_advice.pdf
WMO Low-cost sensors for the measurement of atmospheric composition: overview of topic and future applications:
WMO_Low_cost_sensors_post_review_final.pdf
An Update On Low-Cost Sensors For The Measurement Of Atmospheric Composition (Feb 17, 2021):
LCS_Webinar_Feb17_2021.pdf

Protocolos de comunicaciones sensores:Analógico-Digital-Serie-I2C
Sistema Grove de conexionado sencillo:Sensores+Cables+Placas

SENSORES miniMET:

PRESIÓN, TEMPERATURA Y HUMEDAD RELATIVA:

Sensor T+HR (digital):AM2302
Sensor T+HR (I2C):AM2315
Sensor P+T+HR (I2C):BME280
Sensor P+T (I2C):BMP280

DIRECCIÓN Y VELOCIDAD DEL VIENTO, LLUVIA:

Anemo, veleta y pluviómetro (digital/analógico):Viento y lluvia

ACÚSTICA DEL AIRE:

Contaminación acústica:wiki/Contaminación_acústica
Sensor de volumen (analógico):LM2904DR

COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL AIRE:

Gas CO2 infrarojos (serie): MH-Z16-Grove-CO2-IR
Gases multicanal (I2C): MiCS-6814-Grove-Multichannel-Gas
Partículas materiales (digital): PPD42NS-Grove-Dust

LUZ SOLAR:
- Definición y composición: wiki/Luz_solar
- Sensor VL-IR-UV (I2C):TSL2561T
DETECCIÓN DE RAYOS:

Sensor de rayos (I2C/digital): MOD1016/AS3935

El proyecto ofrece la posibilidad de trabajar con distintos tipos de CPUs siempre que por medio de la programación se puedan cumplir las especificaciones de adquisición de medidas y su transmisión. Se dividen básicamente en tres familias:

MINIPCS CON SISTEMA OPERATIVO LINUX: presentaremos ejemplos basados en Raspberry Pi con dos modelos: 3B+ y Zero W. Ambas pueden transmitir via cable ETHERNET y/o WIFI. Se programan habitualmente en Python y tienen gran cantidad de desarrollos y tutoriales en la red por su amplia implantación en el entorno educativo en los últimos años. Como inconveniente hay que señalar que no tiene puertos GPIO analógicos por lo que habrá que añadir un módulo conversor analógico-digital, denominado por sus siglas ADC.

TARJETAS DE DESARROLLO CON ESP8266: Se trata de un chip integrado con conexión WiFi y compatible con el protocolo TCP/IP. El objetivo principal es dar acceso a cualquier microcontrolador a una red. Es de muy bajo coste y consumo y las tarjetas que lo integran, como las nodeMCU o Wio-Link de nuestro taller, tienen la ventaja de ser programables en LUA, C# con el IDE de Arduino.

TARJETAS DE DESARROLLO TIPO ARDUINO: de uso más extendido en el mundo "maker" de aficionados a la electrónica y a la robótica, igualmente disponen de gran cantidad de recursos e información en la red. Se programan en con el IDE de Arduino que tiene también versión web online. Al ser hardware abierto tiene muchas versiones y variantes. Aquí trabajaremos con la más estandar, Arduino UNO R3 y una variante la la Arduino mini pro preparada para las conexiones Grove. El inconveniente de estas tarjetas es que no tienen módulo de comunicaciones y habrá que añadírselo.

LA GARITA O ABRIGO METEOROLÓGICO:

Es un elemento imprescindible para lograr una correcta medida de un de los parámetros meteorológicos más importantes, la temperatura. Para efectuar esta medida de la temperatura del aire el termómetro debe estar a la sombra y en una zona ventilada, evitando por un lado que la bolsa de aire del contenedor se caliente o enfríe distinto del aire exterior y por otra parte que la radiación directa o reflejada del sol puedan incidir en el aparato de medida alterando la misma.

Las garitas oficiales son de madera de pino pintada de blanco y cada pared consta de dos grupos de lamas a 45º y -45º. Su puerta se orienta en dirección norte para que en ningún caso pueda entrar el sol de manera directa sobre los instrumentos al abrirla.

En el caso de las estaciones meteorológicas escolares y/o aficionadas (de bajo coste) resultan inviables estas garitas de madera porque elevarían demasiado el precio total, por lo que se recurre a garitas más sencillas a base de bandejas de plástico con separadores que permitan la circulación del aire pero no la incidencia directa del sol. La técnica de elaboración es similar en todos los casos: bandejas recortadas, varillas roscadas, separadores y dos soportes de chapa de aluminio plegado, uno exterior y el otro interior.

Aquí se pueden ver algunos ejemplos de proyectos previos: la garita miniMET I y lasgaritas miniMET II/III. Acontinuación se detalla la construcción de la versión actual de garita.

TÉCNICA DE CONSTRUCCIÓN:

Es un trabajo de bricolage en taller que requiere el manejo de pequeña herramienta eléctrica.
Consiste en disponer una pila de bandejas de plástico separadas entre sí por medio de cuatro varillas roscadas y separadores de la dimensión necesaria según el diseño.
Las bandejas, salvo la superior y la inferior deben tener un recorte que permita el alojamiento de una caja con la electrónica, CPU y sensores.
El conjunto de bandejas se sujeta a una chapa de aluminio plegada que llevará las sujecciones al poste.
Los elementos interiores se alojarán un caja de plástico a su vez sujeta a otra chapa de aluminio que podrá deslizarse sobre ejes hacia abajo para acceder a la misma para montale y mantenimiento.

GARITA miniMET IV v2:

Respecto a los proyectos anteriores, esta garita tiene un mayor volumen interior e incorpora una segunda rejilla interior de inclinación contraria a la de las bandejas exteriores para evitar cualquier radiación reflejada que pudiera entrar entre ellas. Tiene mejor aislamiento de la radiación solar directa.

Esta versión 2 (enero de 2019) supone una revisión del diseño a partir de los resultados de los talleres del plan piloto en 2018.

Descripción general, imágenes y planos
Listado de materiales
Manual de construcción
Banco de pruebas en la terraza de AEMET

Garita miniMET IV versión 1 [descartada], documentación original: Descripción y planos Listado de materiales Manual de construcción