Prototipo de estación agrometeorológica automática basada en sensores y microcontroladores

Abstract

El Perú es un país con una gran variedad climática y de suelos, pero cuenta con un acceso limitado a tecnologías de adquisición de información meteorológica, sobre todo en sectores de bajos recursos económicos. El propósito del presente proyecto es plantear una alternativa de solución para cubrir la necesidad de adquirir información agrometeorológica mediante el desarrollo e implementación de un prototipo de estación agrometeorológica automática, lo cual se logró mediante el diseño de una arquitectura electrónica que consiste en la interacción de diversos elementos electrónicos como: sensores para la medición de variables como la temperatura, humedad relativa, presión barométrica, velocidad y dirección del viento, y radiación solar; módulos o periféricos, una placa Arduino y un sistema fotovoltaico; los cuales junto a elementos eléctricos complementarios representan un costo considerablemente menor a una estación meteorológica automática comercial y a través de la programación del microcontrolador permiten registrar los parámetros de interés en intervalos de un minuto. Luego, se calibró cada uno de los sensores usando el método de comparación estadística con respecto a una estación de referencia para determinar funciones de calibración que fueron insertados al programa principal con el fin de calcular la evapotranspiración del cultivo de referencia por el método de FAO Penman-Monteith, para posteriormente validar los datos observados por el prototipo con los observados por la estación de referencia mediante la determinación de indicadores estadísticos. Los resultados de la validación determinan que el prototipo realiza observaciones fiables ya que presentan valores de correlación y correspondencia entre 0.90 y 0.99 y de índice de Nash-Sutcliffe entre 0.85 y 0.99. Adicionalmente, el equipo cuenta con una base de datos y un visualizador virtual de información a través de la plataforma IoT denominada Blynk que opera con redes WiFi. Por último, se elaboró un manual de instalación, operación y mantenimiento con la finalidad de garantizar la funcionalidad del prototipo por periodos prolongados de tiempo y brindar conocimiento de su estructura electrónica y física.

Perú is a country that has a widely climate and soil variability, but it possesses a limited access to meteorological data acquisition technologies, especially over low economics resources sectors. The purpose of this research is setting an alternative of solution to cover the need of acquiring agrometeorological information through the development and implementation of an automatic agrometeorological station prototype, which was accomplished through the design of an electronic architecture that consists in the interaction of different electronic elements such as: temperature, relative humidity, barometric pressure, wind speed and direction, and solar radiation; modules or peripheries; an Arduino board and a photovoltaic system; those which alongside some complementary electronic elements represent considerably less cost than a commercial automatic weather station and by means of the programming of the microcontroller allow to record the parameters in one-minute time intervals. Then, each sensor was calibrated using a statistical comparison method with respect to a reference station to determine calibration functions that were inserted in the main program in order to compute the reference crop evapotranspiration by FAO Penman-Monteith method, to subsequently validate the data observed by the prototype with those observed by the reference station by means of the determination of statistical indicators. The outcomes of the validation determine that the prototype performs reliable observations because they present correlation and agreement values between 0.90 and 0.99 and Nash-Sutcliffe values between 0.85 and 0.99. In addition, the equipment has a database and a information virtual visualizer through an IoT platform named Blynk which operate with WiFi networks. Finally, an installation, operation and maintenance manual was made in order to secure the functionality of the prototype for continuous periods of time and to offer knowledge about its electronic and physical structure.