2014 ii c02t-estacion meteorologica

Universidad de Huánuco

Facultad de Ingeniería de Sistemas e Informática

Agenda

• Base del Conocimiento

• Motor de Inferencia

• Medios de Comunicación

¿Cómo Investigamos un Sistema

Basado en el Conocimiento?Definir el Problema

Realizar Investigación del Tema

Especificar los Requerimientos

Lluvia de Ideas, Evaluación y Selección

de la Solución

Desarrollar y Prototipar la Solución

Probar la Solución

Comunicar los Resultados

La Solución cubre totalmente los

Requerimientos

La Solución cubre parcialmente los

Requerimientos o No

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

revisar los nuevos datos.

Hacerse una Pregunta

Realizar Investigación del Tema

Construir una Hipótesis

Probar con un Experimento

¿Funciona el Procedimiento?

Analizar la Data y Esbozar las

Conclusiones

Comunicar los Resultados

Resultados alineados con la Hipótesis

Resultados parcialmente alineados o No con la

Hipótesis

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

Formular nueva pregunta, formular nueva Hipótesis, experimentar denuevo!

No Si

Solucionar la falla del Procedimiento. Verifique y configure cuidadosamente

todos los pasos.

Método Científico versus

Método de IngenieríaMétodo Científico Método del Proceso de

Diseño de Ingeniería

Establecer una pregunta o problema Definir un problema o necesidad

Conseguir información respecto al tema Conseguir información respecto al tema

Formular una Hipótesis; identificar las

variables

Establecer criterios o parámetros de

diseño

Diseñar el experimento, establecer el

procedimiento

Preparar diseños preliminares

Probar la Hipótesis mediante un

experimento

Construir y probar el Prototipo

Analizar los resultados y esbozar

conclusiones

Verificar, probar y rediseñar lo suficiente

Presentar los resultados Presentar resultados

Metodología de Trabajo del Proyecto: Enfoque de Marco Lógico (EML)

(Enfoque de Marco Lógico – EML)

(Matriz de Marco Lógico)

Base del Conocimiento

Ontología de una Estación Meteorológica

Arquitecturas Escalables

Estructuras de Persistencia

Lenguajes de Programación de Alto Nivel

Ontología de una Estación

MeteorológicaClasificación de las Estaciones Meteorológicas según

OMMSegún su Finalidad Clasificación

Sinóptica

Climatológicas

Agrícolas

Especiales

Aeronáuticas

Satelitales

De acuerdo a la magnitud de las

observaciones

Principales

Ordinarias

Auxiliares o adicionales

Por el nivel de observación Superficie

Altitud

Según el lugar de observación

Terrestre

Aéreas

Marítimas

Instrumentos MeteorológicosInstrumento Descripción Gráfico

Anemógrafo Registra continuamente la

dirección (grados) de la

velocidad instantánea del viento

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

recorrida por el viento en relación

con el instrumento y las ráfagas

(en m/s).

Anemómetro Mide la velocidad del viento (m/s)

y, en algunos tipos, también la

dirección (en grados).

Barógrafo Registra continuamente la

presión atmosférica en

milímetros de mercurio (mm Hg)

o en milibares (mb). En el

Sistema Internacional de

Unidades, la unidad de presión

es el hectopascal (hPa). 1 hPa =

1 mb.

Barómetro de

Mercurio

Instrumento para medir la

presión atmosférica, la cual se

equilibra con el peso de una

columna de mercurio. Las

unidades son el milímetro de

mercurio (mm Hg), el milibar

(mb) o el hectopascal (hPa).

Instrumentos Meteorológicos

Arquitecturas Escalables

Codiseño de la Estación Meteorológica

Servidor Local de la Estación Meteorológica

Servidor Remoto de la Estación Meteorológica

(Raspberry-Pi)

Usuario de la Estación

Meteorológica

Módulo de Adquisición de Señales Meteorológicas

Módulo de Predicción Meteorológica

Módulo de Reportes Web

Tarjeta de Adquisición de Señales Meteorológicas

(Arduino)

Diagrama de Bloques de la

Estación Meteorológica

Obtención de señales reales Meteorológicas de la Tarjeta de Adquisición de Sensores

Arduino.

Procesamiento para Filtrado y Reducción de Dimensiones de Señales Meteorológicas.

Almacenamiento de Patrones Meteorológicos en el

Analizador Raspberry-Pi.

Repositorio de Señales Meteorológicas vía

Plataforma Web sobre BD SQLite.

Agrupación de la Señal Meteorológica.

(Entorno Matlab-Labview)

Implementación en Matlab del Algoritmo de Pronóstico.

Programación del Analizador Meteorológico en Matlab y validación con la Base de Datos Meteorológicos del

SENAMHI-HCO.

Arquitectura de SensoresSensor Código Características

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 tensión

necesario que la entrada analógica del Arduino

necesita. Posee un rango de operación de temperatura

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

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

voltaje a la salida se obtiene el rango de tensión

necesario que la entrada analógica 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 vía

Tarjeta SIM para alertar sobre estado climático.

GPS NEO-6M-0-

001 uBlox

GPS Shield que permite tomar lecturas en

coordenadas geo referenciales de la ubicación de la

Estación Meteorológica a una frecuencia de 1575.42

MHz.

Cámara

Digital

Cámara

Raspberry

Pi

Permite adquirir fotos y/o videos de las nubes donde

está ubicado la Estación Meteorológica.

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

100kPresión

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

100kPresión

1

2

3

HIH-4000

Sensor de Humedad

+5Vdc

R3

100k

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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

100kPresión

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 Programación

de Alto Nivel• C++ [Arduino]

– Orientado a objetos

– Herencia múltiple

• Python [Raspberry]

– Orientado a objetos

– Herencia simple

Características Generales del

Arduino UNO• La filosofia OpenSource – Codigo Abierto-

que lo sustenta.

• La comunidad formada a su alrededor.

• La sencillez del lenguaje de programación.

• El hardware de bajo costo.

• Microcontrolador: ATMega328

• Voltaje de operación: 5V DC

• Voltaje de alimentación: 7 – 12V DC

• Pines digitales I/O: 14 (6 Con PWM)

• Pines entrada analógica: 6

• Interfaz de programación: USB

• Frecuencia del Reloj: 16 Mhz

Programación del Arduino- Distribución 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 sólo puede tener

dos estados: HIGH/LOW, encendido/apagado, …

Los pines 0 y 1 están destinados para la comunicación

serial. Entre los pines digitales disponemos también de

6 pines que se pueden configurar como salida de

modulación por pulsos (PWM) dónde admiten valores

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

Pines analógicos (6): los pines analógicos,

etiquetados del 0 al 5 sólo pueden usarse como

entrada, y obtienen valores entre 0 y 1023 donde

podemos conectar cualquier sensor que nos dé un

valor analógico (sensor de temperatura, de proximidad,

etc). Estos pines se declaran como entrada

automáticamente.

Pines de alimentación (6): son los pines dónde

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

para los componentes de nuestro circuito. En

determinadas ocasiones es necesario alimentar dichos

componentes o placas, a través de una fuente de

alimentación externa.

Código 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

100kPresión

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

100kPresión

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

100kPresión

1

2

3

HIH-4000

Sensor de Humedad

+5Vdc

R3

100k

R4

100kHumedad

1

2

3

DS18B20


+5Vdc

C3104F

Temperatura

Características 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 otras

distribuciones de Linux.

Código Fuente del Raspberry PiFramework de la Estación

Meteorológica

Dis

eñ

o d

el

Ha

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are

Dis

eñ

o d

el

So

ftw

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Co

mp

rob

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n

de

Re

su

lta

do

s

Capas de Abstracción

Se utiliza Matlab para comprobar los

resultados experimentales de los

algoritmos de pronóstico vía

regresión lineal múltiple.

Se utiliza la plataforma web y

SQLite del RaspberryPi para

almacenar la data proveniente de

los sensores conectados al Arduino,

para su análisis computacional.

Se utiliza Proteus con RaspberryPi

y Arduino para desarrollar el

prototipo de la Estación

Meteorológica.

Utilitarios para Gestionar el

Raspberry Pi• Putty -> Terminal remoto de una sesión

Linux.

• SQLite Browser-> Visualizar contenido de

la base de datos.

• PHP Designer -> Entorno de

programación PHP para entorno web.

Herramientas Utilizadas

Alcance Herramientas Descripción

Simulación Matlab Es un entorno de simulación que soporta las

operaciones matriciales de regresión lineal simple y

múltiple.

Aplicación Python, PHP y

SQLite para

Raspberry Pi

Es un entorno de aplicación donde se programado

código para recolectar datos de los sensores y

almacenarlos en una base de datos SQLite y

publicados en un entorno web.

Simulación del

entorno

Hardware

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

diseño del hardware de adquisición de los

Sensores con el micro controlador Arduino.

Aplicación C++ para Arduino Se utilizó C++ para el desarrollo del driver que

adquiere los datos de los sensores para enviarlos a

la tarjeta central del Raspberry Pi.

Aplicación PHP Designer Se utilizó el contenedor web para visualizar los

datos almacenados en SQLite, empleando el IDE

PHP Designer para programar el código.

Motor de Inferencia

Algoritmos de Diagnóstico

Algoritmos de Pronóstico

Algoritmos de Diagnóstico

AORD: Arquitectura Orientada a

Regulaciones Disciplinarias

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Sistema Reproductor Macro Proceso de Recursividad Sistémica

Sistema Inmunológico Macro Proceso de Monitoreo Regulatorio

Sistema Hormonal o Endocrino Macro Proceso de Evolución Cibernética Organizacional

Sistema Nervioso Macro Proceso de Coordinación Organizacional

Sistema Excretor o Urinario Macro Proceso de Gestión de Legajo Institucional

Sistema Circulatorio Macro Proceso de Mejora Contínua

Sistema Respiratorio Macro Proceso de Comunicación Organizacional

Sistema Digestivo Macro Proceso de Gestión de Capacidades Humanas

Sistema Óseo Macro Proceso de Mejoramiento de Infraestructura

Sistema Muscular Macro Proceso de Servicio al Usuario

N°Ente Humano Ente Institucional

Detalle de los Sistemas Humanos Detalle de los Macro Procesos

Macro Proceso Modo de Identificación

M1: Macro Proceso de Servicio al

Usuario, representa la analogía con el

Sistema Muscular Humano.

Procesos orientados a la razón de ser de la institución cuyo

servicio se brinda principalmente a los usuarios externos.

M2: Macro Proceso de Mejoramiento de

Infraestructura, representa la analogía

con el Sistema Óseo.

Procesos orientados a mejorar la infraestructura existente de la

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

para dar soporte a los servicios operativos.

M3: Macro Proceso de Comunicación

Organizacional, representa la analogía

con el Sistema Respiratorio.

Procesos que permiten brindar una adecuada comunicación entre

la organización y el entorno externo, principalmente con los

Actores multisectoriales involucrados.

M4: Macro Proceso de Gestión de

Capacidades Humanas, representa la

analogía con el Sistema Digestivo.

Procesos que permiten mejorar las habilidades técnicas,

metodológicas, éticas, etc., del personal de la institución, de

modo tal que permita transformar la organización en base al

conocimiento de avanzada.

M5: Macro Proceso de Gestión de Legajo

Institucional, representa la analogía con

el Sistema Excretor o Urinario.

Procesos orientados a gestionar los documentos, con énfasis al

legajo institucional basado en estándares de calidad de gestión

documentaria.

M6: Macro Proceso de Mejora Continua,

representa la analogía con el Sistema

Circulatorio.

Procesos orientados a implementar mejoras a todo nivel,

organizativo, metodológico, tecnológico, de recursos, etc., en

todas las unidades orgánicas.

M7: Macro Proceso de Evolución

Cibernética Organizacional, representa la

analogía con el Sistema Hormonal o

Endocrino.

Procesos orientados a regular la asignación de recursos

económicos a las unidades orgánicas basadas en objetivos,

metas y lineamientos institucionales.

M8: Macro Proceso de Coordinación

Organizacional, representa la analogía

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

Sistémica, representa la analogía con el

Sistema Reproductor.

Procesos que garantizan la creación y gestión de sedes

desconcentradas a menor escala en la zona de intervención

territorial de la organización.

M10: Macro Proceso de Monitoreo

Regulatorio, representa la analogía con el

Sistema Inmunológico.

Procesos orientados al cumplimiento de la normativa vigente de

la organización para las diversas unidades orgánicas.

Modelo de Mejora Continua

Algoritmos de Pronóstico

Técnicas de Pronóstico

Modelos Cualitativos

Modelos de Series de Tiempo

Modelos Causales

Método de Entrevista Delphi

Consultas a Proveedores

Método de Encuestas

Promedio Móvil

Suavizamiento Exponencial

Proyección de Tendencias

Regresión Simple

Regresión Múltiple

Detalle de las Técnicas de Pronóstico

Tipo de Pronóstico de

Series de TiempoCaracterística

Aplicaciones Típicas en el

Estudio de Campo

Regresión Lineal Si la relación entre las dos variables está

determinada por una recta de la forma:

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

Pronóstico de PBI, usuarios de

telefonía fija, telefonía pública,

etc.

Regresión Exponencial

Semi/Logarítmica

Si la relación entre las dos variables está

determinada por una expresión de la

forma:

ó

.

Pronóstico de crecimiento

poblacional, Índice de

Penetración de Servicios, etc.

Regresión Exponencial

Gompertz

Si la relación entre las dos variables está

determinada por una expresión de la

forma: .

Pronóstico de servicios públicos

telefonía móvil, internet, etc.

Medios de Comunicación

Sensores

Actuadores

Enlace

Características de los

Sensores y ActuadoresSensor Código Características

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 tensión necesario que la entrada

analógica del Arduino necesita. Posee un rango de operación de

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

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

salida se obtiene el rango de tensión necesario que la entrada

analógica 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 vía Tarjeta

SIM para alertar sobre estado climático.

GPS NEO-6M-0-

001 uBlox

GPS Shield que permite tomar lecturas en coordenadas geo

referenciales de la ubicación de la Estación Meteorológica a una

frecuencia de 1575.42 MHz.

Cámara

Digital

Cámara

Raspberry Pi

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

la Estación Meteorológica.

Sensores de la Estación

Meteorológica Prototipo

Actuadores de la Estación

Meteorológica Prototipo

Enlace de los Medios de Comunicación

Satélite y TVTelefonía

Redes Asimétricas de Gran Ancho de Banda

Redes Simétricas 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 ó Superior

Telefonía Básica

Servicios de Información

TV por Demanda

TV Pública y TV PrivadaInternet

Satelital

Transacciones Financieras

Internet xDSL

Video por Demanda

Video Conferencia

Televisión IP

Tele PresenciaInterconexión

LAN/MAN/WAN

<9.6 Kbps 9.6Kbps

ALTA

BAJA

Tasa de Transferencia de DatosD

em

and

a M

asiv

a d

el M

erc

ado

Servicios de Mensajería Corta (SMS)

Verificación de Tarjetas de Crédito

Fax

Web Clipping

Banca Electrónica / Comercio Electrónico

Datos de Baja Velocidad

Voz IPPTT

Oficina Remota

Mensajería Multimedia

MultimediaWWW

Transferencia de Grandes Archivos

Streaming de Audio / Video

Juegos Interactivos y Entretenimiento

Video Conferencia / Multimedia

Video Broadcast Limitado

Computación en Redes

TV IP / TV HD

Aplicaciones en Nube

Tele Presencia

14.4 Kbps 44 Kbps - 64 Kbps 144 Kbps 384 Kbps - 2 Mbps

GSM/GPRS/EDGE UMTS/HSDPA/HSPA+ LTE

100 Mbps

Sistema de Energizado

Sistemas Basados en el Conocimiento

2014 ii c02t-estacion meteorologica

Education