METEO : Diseño y desarrollo de una estación meteorológica autónoma
Supervisor(es): Siniscalchi, Mariana - Azziz, Julia
Resumen:
La gestión eficiente del agua en la agricultura requiere información meteorológica para estimar las necesidades hídricas de los cultivos. Estas variables permiten calcular la evapotranspiración, que relaciona las condiciones atmosféricas con la pérdida de agua del sistema suelo-cultivo y sirve como referencia para definir requerimientos de riego. La obtención de esta información suele requerir mediciones realizadas directamente en el entorno de cultivo durante períodos prolongados. En este contexto, el presente proyecto desarrolla una estación meteorológica autónoma, de bajo consumo, capaz de medir temperatura, humedad relativa, radiación solar y velocidad del viento para aplicaciones de estimación de evapotranspiración. Además del sensado meteorológico, el sistema desarrollado integra comunicación inalámbrica, gestión energética y una plataforma web de monitoreo y control desarrollada en el marco del proyecto. El prototipo físico se implementa sobre un Development Kit (DK) basado en el System in Package nRF9161, que concentra las funciones de procesamiento y comunicación. La conectividad remota con la plataforma web se realiza mediante Narrowband Internet of Things, utilizando Message Queuing Telemetry Transport en capa de aplicación para la transmisión de mediciones, reportes de estado y mensajes de diagnóstico. El hardware incorpora los sensores correspondientes, una batería Li-Po de 2500 mAh, un panel solar de 2W y 6V. Además, se diseña e implementa una placa de circuito impreso tipo shield montada sobre el DK que integra las interconexiones principales y un conversor DC-DC para el sistema de cosecha de energía. El conversor DC-DC constituye un desarrollo propio de este trabajo, diseñado y fabricado específicamente para la aplicación propuesta. El conversor DC-DC es capaz de operar en modos buck, boost y buck-boost, permitiendo evaluar distintas estrategias para aprovechar la potencia disponible en el panel solar. Se opta por diseñar y fabricar el conversor debido a la ausencia de soluciones comerciales compatibles con la estrategia de control propuesta, basada en una señal de control y sin utilizar un lazo de realimentación de la tensión de salida. El firmware se desarrolla sobre el sistema operativo en tiempo real Zephyr e integra las funciones de medición, comunicación y gestión energética del sistema. Para el control del sistema de cosecha de energía, se desarrolla e implementa un algoritmo de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) basado en Conductancia Incremental para ajustar el duty cycle del conversor DC-DC y aproximar el punto de operación del panel solar a su punto de máxima potencia (MPP). La validación experimental incluye pruebas del conversor DC-DC, ensayos del sistema de cosecha de energía, caracterización del consumo, y un ensayo prolongado de operación continua de la estación meteorológica alimentada exclusivamente por batería. La caracterización del conversor muestra que el modo boost presenta las mayores eficiencias, con valores cercanos al 87 %–89 %. Por su parte, el modo buck-boost, aunque introduce mayores pérdidas, permite que el algoritmo de MPPT alcance puntos de operación asociados a valores intermedios de duty cycle, conservando un mayor margen de ajuste frente a variaciones del punto de operación del panel solar. Finalmente, en las condiciones evaluadas, el modo buck no alcanza la tensión mínima requerida por el cargador de batería. Las pruebas complementarias realizadas con exposición directa al sol permiten comparar la potencia extraída del panel y la potencia efectivamente entregada al cargador de batería. El modo buck-boost logra imponer al panel un punto de operación de mayor potencia respecto al modo boost; sin embargo, esta mejora no compensa su menor eficiencia de conversión. El modo boost entrega al cargador 0,89W, frente a 0,79W obtenidos mediante el modo buck-boost. Bajo las condiciones evaluadas, se compara el funcionamiento del conversor con una conexión directa entre el panel solar y el cargador de batería. La conexión directa permite obtener aproximadamente 1,08W de potencia útil. Estos resultados muestran que maximizar la potencia extraída del panel no implica necesariamente maximizar la energía útil entregada al sistema y que, para la configuración ensayada, la conexión directa presenta el mejor desempeño. Por su parte, el ensayo prolongado verifica el funcionamiento continuo de la estación durante 2 días, 4 horas y 15 minutos alimentada únicamente por batería, resultado próximo a la autonomía de 2 días y 12 horas estimada por el modelo para ese perfil. Para un perfil de operación similar, el consumo diario estimado del prototipo completo con el DK es de 737,34mAh/día, equivalente a una autonomía de 3,39 días. Al excluir los circuitos auxiliares del DK, el consumo se reduce a 29,34mAh/día y la autonomía aumenta a 85,21 días con una batería de 2500 mAh. Estos resultados muestran que la autonomía depende tanto del hardware como de los períodos de medición y comunicación configurados. Las pruebas de cosecha de energía estuvieron condicionadas por la irradiancia disponible, por lo que se plantea realizar campañas más prolongadas y bajo condiciones mejor caracterizadas. En conjunto, los resultados obtenidos validan la arquitectura propuesta y demuestran la capacidad del sistema para operar de forma autónoma, adquirir información meteorológica y transmitirla remotamente. A su vez, el desarrollo permite identificar los principales aspectos a optimizar en futuras versiones, destacando la migración hacia hardware dedicado, la reducción del consumo en reposo y la evaluación experimental del sistema de cosecha de energía bajo un conjunto más amplio de condiciones de operación. Los archivos de diseño de hardware, el código fuente del firmware y el software desarrollado para la plataforma de monitoreo y control pueden consultarse en el repositorio de GitLab (Disponible en : https://gitlab.fing.edu.uy/meteo/meteo_project).
| 2026 | |
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Estación meteorológica Sistemas autónomos Internet of Things (IoT) Energía fotovoltaica Cosecha de energía (Energy Harvesting) Bajo consumo energético MPPT (Maximum Power Point Tracking) Convertidor DC-DC NB-IoT (Narrowband Internet of Things) MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) PCB (Printed Circuit Board) |
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| Español | |
| Universidad de la República | |
| COLIBRI | |
| https://hdl.handle.net/20.500.12008/56468 | |
| Acceso abierto | |
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