2014II-C02T-Estacion Meteorologica.pdf

Universidad de Hunuco

Facultad de Ingeniera de Sistemas e Informtica

Agenda

Base del Conocimiento

Motor de Inferencia

Medios de Comunicacin

Cmo Investigamos un Sistema

Basado en el Conocimiento?Definir el Problema

Realizar Investigacin del Tema

Especificar los Requerimientos

Lluvia de Ideas, Evaluacin y Seleccin

de la Solucin

Desarrollar y Prototipar la Solucin

Probar la Solucin

Comunicar los Resultados

La Solucin cubre totalmente los

Requerimientos

La Solucin cubre parcialmente los

Requerimientos o No

Basado en los resultados y datos, hacer cambios de diseo, prototipar y probar de nuevo y

revisar los nuevos datos.

Hacerse una Pregunta

Realizar Investigacin del Tema

Construir una Hiptesis

Probar con un Experimento

Funciona el Procedimiento?

Analizar la Data y Esbozar las

Conclusiones

Comunicar los Resultados

Resultados alineados con la Hiptesis

Resultados parcialmente alineados o No con la

Hiptesis

Data experimental se convierte en el tema de investigacin para el nuevo o futuro proyecto.

Formular nueva pregunta, formular nueva Hiptesis, experimentar denuevo!

No Si

Solucionar la falla del Procedimiento. Verifique y configure cuidadosamente

todos los pasos.

Mtodo Cientfico versus

Mtodo de IngenieraMtodo Cientfico Mtodo del Proceso de

Diseo de Ingeniera

Establecer una pregunta o problema Definir un problema o necesidad

Conseguir informacin respecto al tema Conseguir informacin respecto al tema

Formular una Hiptesis; identificar las

variables

Establecer criterios o parmetros de

diseo

Disear el experimento, establecer el

procedimiento

Preparar diseos preliminares

Probar la Hiptesis mediante un

experimento

Construir y probar el Prototipo

Analizar los resultados y esbozar

conclusiones

Verificar, probar y redisear lo suficiente

Presentar los resultados Presentar resultados

Metodologa de Trabajo del Proyecto: Enfoque de Marco Lgico (EML)

(Enfoque de Marco Lgico EML)

(Matriz de Marco Lgico)

Base del Conocimiento

Ontologa de una Estacin Meteorolgica

Arquitecturas Escalables

Estructuras de Persistencia

Lenguajes de Programacin de Alto Nivel

Ontologa de una Estacin

MeteorolgicaClasificacin de las Estaciones Meteorolgicas segn

OMMSegn su Finalidad Clasificacin

Sinptica

Climatolgicas

Agrcolas

Especiales

Aeronuticas

Satelitales

De acuerdo a la magnitud de las

observaciones

Principales

Ordinarias

Auxiliares o adicionales

Por el nivel de observacin Superficie

Altitud

Segn el lugar de observacin

Terrestre

Areas

Martimas

Instrumentos MeteorolgicosInstrumento Descripcin Grfico

Anemgrafo Registra continuamente la

direccin (grados) de la

velocidad instantnea del viento

(m/s), la distancia total (en km)

recorrida por el viento en relacin

con el instrumento y las rfagas

(en m/s).

Anemmetro Mide la velocidad del viento (m/s)

y, en algunos tipos, tambin la

direccin (en grados).

Bargrafo Registra continuamente la

presin atmosfrica en

milmetros de mercurio (mm Hg)

o en milibares (mb). En el

Sistema Internacional de

Unidades, la unidad de presin

es el hectopascal (hPa). 1 hPa =

1 mb.

Barmetro de

Mercurio

Instrumento para medir la

presin atmosfrica, la cual se

equilibra con el peso de una

columna de mercurio. Las

unidades son el milmetro de

mercurio (mm Hg), el milibar

(mb) o el hectopascal (hPa).

Instrumentos Meteorolgicos

Arquitecturas Escalables

Codiseo de la Estacin Meteorolgica

Servidor Local de la Estacin Meteorolgica

Servidor Remoto de la Estacin Meteorolgica

(Raspberry-Pi)

Usuario de la Estacin

Meteorolgica

Mdulo de Adquisicin de Seales Meteorolgicas

Mdulo de Prediccin Meteorolgica

Mdulo de Reportes Web

Tarjeta de Adquisicin de Seales Meteorolgicas

(Arduino)

Diagrama de Bloques de la

Estacin Meteorolgica

Obtencin de seales reales Meteorolgicas de la Tarjeta de Adquisicin de Sensores

Arduino.

Procesamiento para Filtrado y Reduccin de Dimensiones de Seales Meteorolgicas.

Almacenamiento de Patrones Meteorolgicos en el

Analizador Raspberry-Pi.

Repositorio de Seales Meteorolgicas va

Plataforma Web sobre BD SQLite.

Agrupacin de la Seal Meteorolgica.

(Entorno Matlab-Labview)

Implementacin en Matlab del Algoritmo de Pronstico.

Programacin del Analizador Meteorolgico en Matlab y validacin con la Base de Datos Meteorolgicos del

SENAMHI-HCO.

Arquitectura de SensoresSensor Cdigo Caractersticas

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 tensin

necesario que la entrada analgica del Arduino

necesita. Posee un rango de operacin de temperatura

entre -40C y 84C y una precisin +/- 3.5% HR.

Presin MPX4250A Requiere fuente de 5 Vdc, agregando un divisor de

voltaje a la salida se obtiene el rango de tensin

necesario que la entrada analgica 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 va

Tarjeta SIM para alertar sobre estado climtico.

GPS NEO-6M-0-

001 uBlox

GPS Shield que permite tomar lecturas en

coordenadas geo referenciales de la ubicacin de la

Estacin Meteorolgica a una frecuencia de 1575.42

MHz.

Cmara

Digital

Cmara

Raspberry

Pi

Permite adquirir fotos y/o videos de las nubes donde

est ubicado la Estacin Meteorolgica.

27.0DQ

2VCC

3

GND1

U1

DS18B20

250.0

3 4 5 621

M1MPX4250

RV1

1k

1

2

3

MPX4250A

Sensor de Presion

+5Vdc

C147pF

R1

100k

R2

100kPresin

1

2

3

HIH-4000

Sensor de Humedad

+5Vdc

R3

100k

R4

100kHumedad

1

2

3

DS18B20

Sensor de Temperatura

+5Vdc

C3104F

Temperatura

27.0DQ

2VCC

3

GND1

U1

DS18B20

250.0

3 4 5 621

M1MPX4250

RV1

1k

1

2

3

MPX4250A

Sensor de Presion

+5Vdc

C147pF

R1

100k

R2

100kPresin

1

2

3

HIH-4000

Sensor de Humedad

+5Vdc

R3

100k

R4

100kHumedad

1

2

3

DS18B20


+5Vdc

C3104F

Temperatura

27.0DQ

2VCC

3

GND1

U1

DS18B20

250.0

3 4 5 621

M1MPX4250

RV1

1k

1

2

3

MPX4250A

Sensor de Presion

+5Vdc

C147pF

R1

100k

R2

100kPresin

1

2

3

HIH-4000

Sensor de Humedad

+5Vdc

R3

100k

R4

100kHumedad

1

2

3

DS18B20


+5Vdc

C3104F

Temperatura

Estructuras de Persistencia

Lenguajes de Programacin

de Alto Nivel C++ [Arduino]

Orientado a objetos

Herencia mltiple

Python [Raspberry]

Orientado a objetos

Herencia simple

Caractersticas Generales del

Arduino UNO La filosofia OpenSource Codigo Abierto-

que lo sustenta.

La comunidad formada a su alrededor.

La sencillez del lenguaje de programacin.

El hardware de bajo costo.

Microcontrolador: ATMega328

Voltaje de operacin: 5V DC

Voltaje de alimentacin: 7 12V DC

Pines digitales I/O: 14 (6 Con PWM)

Pines entrada analgica: 6

Interfaz de programacin: USB

Frecuencia del Reloj: 16 Mhz

Programacin del Arduino- Distribucin de pines

Pines digitales (14): los pines digitales, etiquetados

del 2 al 13 pueden ser configurados tanto como

entrada como de salida, y su valor slo puede tener

dos estados: HIGH/LOW, encendido/apagado, Los pines 0 y 1 estn destinados para la comunicacin

serial. Entre los pines digitales disponemos tambin de

6 pines que se pueden configurar como salida de

modulacin por pulsos (PWM) dnde admiten valores

entre 0 y 255, son los pines 3, 5, 6, 9, 10 y 11.

Pines analgicos (6): los pines analgicos,

etiquetados del 0 al 5 slo pueden usarse como

entrada, y obtienen valores entre 0 y 1023 donde

podemos conectar cualquier sensor que nos d un

valor analgico (sensor de temperatura, de proximidad,

etc). Estos pines se declaran como entrada

automticamente.

Pines de alimentacin (6): son los pines dnde

obtenemos la alimentacin de salida (5v, 3,3v y masa)

para los componentes de nuestro circuito. En

determinadas ocasiones es necesario alimentar dichos

componentes o placas, a travs de una fuente de

alimentacin externa.

Cdigo Fuente del Arduino

27.0DQ

2VCC

3

GND1

U1

DS18B20

250.0

3 4 5 621

M1MPX4250

RV1

1k

1

2

3

MPX4250A

Sensor de Presion

+5Vdc

C147pF

R1

100k

R2

100kPresin

1

2

3

HIH-4000

Sensor de Humedad

+5Vdc

R3

100k

R4

100kHumedad

1

2

3

DS18B20


+5Vdc

C3104F

Temperatura

27.0DQ

2VCC

3

GND1

U1

DS18B20

250.0

3 4 5 621

M1MPX4250

RV1

1k

1

2

3

MPX4250A

Sensor de Presion

+5Vdc

C147pF

R1

100k

R2

100kPresin

1

2

3

HIH-4000

Sensor de Humedad

+5Vdc

R3

100k

R4

100kHumedad

1

2

3

DS18B20


+5Vdc

C3104F

Temperatura

27.0DQ

2VCC

3

GND1

U1

DS18B20

250.0

3 4 5 621

M1MPX4250

RV1

1k

1

2

3

MPX4250A

Sensor de Presion

+5Vdc

C147pF

R1

100k

R2

100kPresin

1

2

3

HIH-4000

Sensor de Humedad

+5Vdc

R3

100k

R4

100kHumedad

1

2

3

DS18B20


+5Vdc

C3104F

Temperatura

Caractersticas Generales del

Raspberry Pi Dual core ARM cortex-A7 processor,

NEON, VFPv4, 512KB L2 cache.

Mali400mp2, OpenGL ES GPU.

1GB DDR3 @480MHz.

HDMI 1080p Output.

100M Ethernet.

4Gb Nand Flash.

2 USB Host, 1 micro SD slot, 1 SATA.

96 extend pin including I2C, SPI, RGB/LVDS, CSI/TS, FM-IN, ADC,

CVBS, VGA, SPDIF-OUT, R-TP.

Soporta Android, Ubuntu y otrasdistribuciones de Linux.

Cdigo Fuente del Raspberry PiFramework de la Estacin

Meteorolgica

Dis

e

o d

el

Ha

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are

Dis

e

o d

el

So

ftw

are

Co

mp

rob

aci

n

de

Re

su

lta

do

s

Capas de Abstraccin

Se utiliza Matlab para comprobar los

resultados experimentales de los

algoritmos de pronstico va

regresin lineal mltiple.

Se utiliza la plataforma web y

SQLite del RaspberryPi para

almacenar la data proveniente de

los sensores conectados al Arduino,

para su anlisis computacional.

Se utiliza Proteus con RaspberryPi

y Arduino para desarrollar el

prototipo de la Estacin

Meteorolgica.

Utilitarios para Gestionar el

Raspberry Pi Putty -> Terminal remoto de una sesin

Linux.

SQLite Browser-> Visualizar contenido de la base de datos.

PHP Designer -> Entorno de programacin PHP para entorno web.

Herramientas Utilizadas

Alcance Herramientas Descripcin

Simulacin Matlab Es un entorno de simulacin que soporta las

operaciones matriciales de regresin lineal simple y

mltiple.

Aplicacin Python, PHP y

SQLite para

Raspberry Pi

Es un entorno de aplicacin donde se programado

cdigo para recolectar datos de los sensores y

almacenarlos en una base de datos SQLite y

publicados en un entorno web.

Simulacin del

entorno

Hardware

Proteus / Labview Es un entorno de simulacin que permite validar el

diseo del hardware de adquisicin de los

Sensores con el micro controlador Arduino.

Aplicacin C++ para Arduino Se utiliz C++ para el desarrollo del driver que

adquiere los datos de los sensores para enviarlos a

la tarjeta central del Raspberry Pi.

Aplicacin PHP Designer Se utiliz el contenedor web para visualizar los

datos almacenados en SQLite, empleando el IDE

PHP Designer para programar el cdigo.

Motor de Inferencia

Algoritmos de Diagnstico

Algoritmos de Pronstico

Algoritmos de Diagnstico

AORD: Arquitectura Orientada a

Regulaciones Disciplinarias

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Sistema Reproductor Macro Proceso de Recursividad Sistmica

Sistema Inmunolgico Macro Proceso de Monitoreo Regulatorio

Sistema Hormonal o Endocrino Macro Proceso de Evolucin Ciberntica Organizacional

Sistema Nervioso Macro Proceso de Coordinacin Organizacional

Sistema Excretor o Urinario Macro Proceso de Gestin de Legajo Institucional

Sistema Circulatorio Macro Proceso de Mejora Contnua

Sistema Respiratorio Macro Proceso de Comunicacin Organizacional

Sistema Digestivo Macro Proceso de Gestin de Capacidades Humanas

Sistema seo Macro Proceso de Mejoramiento de Infraestructura

Sistema Muscular Macro Proceso de Servicio al Usuario

NEnte Humano Ente Institucional

Detalle de los Sistemas Humanos Detalle de los Macro Procesos

Macro Proceso Modo de Identificacin

M1: Macro Proceso de Servicio al

Usuario, representa la analoga con el

Sistema Muscular Humano.

Procesos orientados a la razn de ser de la institucin cuyo

servicio se brinda principalmente a los usuarios externos.

M2: Macro Proceso de Mejoramiento de

Infraestructura, representa la analoga

con el Sistema seo.

Procesos orientados a mejorar la infraestructura existente de la

organizacin (mobiliario, inmobiliario, equipamiento, etc.), clave

para dar soporte a los servicios operativos.

M3: Macro Proceso de Comunicacin

Organizacional, representa la analoga

con el Sistema Respiratorio.

Procesos que permiten brindar una adecuada comunicacin entre

la organizacin y el entorno externo, principalmente con los

Actores multisectoriales involucrados.

M4: Macro Proceso de Gestin de

Capacidades Humanas, representa la

analoga con el Sistema Digestivo.

Procesos que permiten mejorar las habilidades tcnicas,

metodolgicas, ticas, etc., del personal de la institucin, de

modo tal que permita transformar la organizacin en base al

conocimiento de avanzada.

M5: Macro Proceso de Gestin de Legajo

Institucional, representa la analoga con

el Sistema Excretor o Urinario.

Procesos orientados a gestionar los documentos, con nfasis al

legajo institucional basado en estndares de calidad de gestin

documentaria.

M6: Macro Proceso de Mejora Continua,

representa la analoga con el Sistema

Circulatorio.

Procesos orientados a implementar mejoras a todo nivel,

organizativo, metodolgico, tecnolgico, de recursos, etc., en

todas las unidades orgnicas.

M7: Macro Proceso de Evolucin

Ciberntica Organizacional, representa la

analoga con el Sistema Hormonal o

Endocrino.

Procesos orientados a regular la asignacin de recursos

econmicos a las unidades orgnicas basadas en objetivos,

metas y lineamientos institucionales.

M8: Macro Proceso de Coordinacin

Organizacional, representa la analoga

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

Sistmica, representa la analoga con el

Sistema Reproductor.

Procesos que garantizan la creacin y gestin de sedes

desconcentradas a menor escala en la zona de intervencin

territorial de la organizacin.

M10: Macro Proceso de Monitoreo

Regulatorio, representa la analoga con el

Sistema Inmunolgico.

Procesos orientados al cumplimiento de la normativa vigente de

la organizacin para las diversas unidades orgnicas.

Modelo de Mejora Continua

Algoritmos de Pronstico

Tcnicas de Pronstico

Modelos Cualitativos

Modelos de Series de Tiempo

Modelos Causales

Mtodo de Entrevista Delphi

Consultas a Proveedores

Mtodo de Encuestas

Promedio Mvil

Suavizamiento Exponencial

Proyeccin de Tendencias

Regresin Simple

Regresin Mltiple

Detalle de las Tcnicas de Pronstico

Tipo de Pronstico de

Series de TiempoCaracterstica

Aplicaciones Tpicas en el

Estudio de Campo

Regresin Lineal Si la relacin entre las dos variables est

determinada por una recta de la forma:

y=mx+b=b0+b1*X.

Pronstico de PBI, usuarios de

telefona fija, telefona pblica,

etc.

Regresin Exponencial

Semi/Logartmica

Si la relacin entre las dos variables est

determinada por una expresin de la

forma:

.

Pronstico de crecimiento

poblacional, ndice de

Penetracin de Servicios, etc.

Regresin Exponencial

Gompertz

Si la relacin entre las dos variables est

determinada por una expresin de la

forma: .

Pronstico de servicios pblicos

telefona mvil, internet, etc.

Medios de Comunicacin

Sensores

Actuadores

Enlace

Caractersticas de los

Sensores y ActuadoresSensor Cdigo Caractersticas

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 tensin necesario que la entrada

analgica del Arduino necesita. Posee un rango de operacin de

temperatura entre -40C y 84C y una precisin +/- 3.5% HR.

Presin MPX4250A Requiere fuente de 5 Vdc, agregando un divisor de voltaje a la

salida se obtiene el rango de tensin necesario que la entrada

analgica 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 va Tarjeta

SIM para alertar sobre estado climtico.

GPS NEO-6M-0-

001 uBlox

GPS Shield que permite tomar lecturas en coordenadas geo

referenciales de la ubicacin de la Estacin Meteorolgica a una

frecuencia de 1575.42 MHz.

Cmara

Digital

Cmara

Raspberry Pi

Permite adquirir fotos y/o videos de las nubes donde est ubicado

la Estacin Meteorolgica.

Sensores de la Estacin

Meteorolgica Prototipo

Actuadores de la Estacin

Meteorolgica Prototipo

Enlace de los Medios de Comunicacin

Satlite y TVTelefona

Redes Asimtricas de Gran Ancho de Banda

Redes Simtricas de Gran Ancho de Banda

BAJO ALTO

ALTO

BAJO

Ancho de Banda Requerido por el Usuario Final al Proveedor

An

cho

de

Ban

da

Ofe

rtad

o p

or

el

Pro

vee

do

r al

Usu

ario

Fin

al

1.5 Mbits Superior

Telefona Bsica

Servicios de Informacin

TV por Demanda

TV Pblica y TV PrivadaInternet

Satelital

Transacciones Financieras

Internet xDSL

Video por Demanda

Video Conferencia

Televisin IP

Tele PresenciaInterconexin

LAN/MAN/WAN

Sistema de Energizado

Sistemas Basados en el Conocimiento

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