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Caso de estudio · Meteorología · PLC GPRS

Datos de viento de lugares sin red. Un PLC los envía por GPRS.

Un estudio del viento en Panamá, con un PLC basado en Arduino con GPRS.

6parámetros en la lista del caso, del viento al pronóstico
3conexiones de sensores citadas: analógica, I2C y SPI
3totales de lluvia: por día, por mes y por año
1PLC con GPRS envía todos los datos a la nube

En Panamá hay tormentas fuertes, e incluso tornados. Para predecirlas, primero hace falta un registro del tiempo.

Por eso los sensores van donde está el tiempo, no donde está la red.

Este caso describe una estación meteorológica para un estudio del viento en Panamá, con un PLC M-Duino 42+ que envía sus datos por GPRS. Industrial Shields ganó el proyecto. El caso no cita al cliente. Los parámetros, las conexiones de los sensores, el enlace GPRS y la plataforma en la nube son los del caso. Los valores de los paneles son ejemplos, no datos de la estación.

El reto

Registrar el tiempo lejos de cualquier red.

El objetivo del proyecto es gestionar una estación meteorológica basada en tecnología open source y monitorizarla a través de una plataforma en la nube. La meta es un registro del clima de Panamá: los datos de hoy y los del pasado, para hacer buenos pronósticos de tormentas y otros fenómenos meteorológicos.

01

Seis cosas que registrar

Velocidad y dirección del viento. Temperatura y humedad, interior y exterior. Lluvia actual y acumulada, por día, mes y año. Intensidad de la lluvia. Presión atmosférica. Y el pronóstico meteorológico.

02

Cada sensor tiene su conexión

Cada modelo de sensor usa su propia conexión: analógica, I2C, SPI u otra. El método depende del modelo, del tipo de dato y del tiempo de actualización. Un solo PLC tiene que leerlos todos.

03

Sin Ethernet ni wifi

Los sensores tienen que estar donde el tiempo se mide bien. En la mayoría de esas zonas, la única comunicación disponible es el GPRS.

04

El pasado también cuenta

Un pronóstico necesita historia. La plataforma necesita una base de datos, para que los datos del pasado sean tan útiles como los de ahora.

Por qué importa

Las tormentas y los tornados pueden ser muy peligrosos. El caso dice que es importante estudiarlos para predecirlos y evitar sus consecuencias. Una estación que envía datos sin parar desde el lugar correcto es el primer paso.

Cómo funciona

Tres tareas: leer cada sensor, sumar la lluvia y enviarlo por GPRS.

Cada panel muestra una tarea. Pulsa los botones. Los paneles son simulaciones ilustrativas: los parámetros, las conexiones de los sensores y el enlace GPRS son los del caso, pero los valores, las frecuencias y la asignación de los sensores son ejemplos, no datos de la estación.

Tarea 1 · Leer cada sensor

Muchos sensores, muchas conexiones, un PLC.

El PLC lee cada sensor por la conexión que usa su modelo. En el caso: analógica, I2C, SPI u otra, según el modelo, el tipo de dato y el tiempo de actualización. Después, un programa del PLC procesa todos los valores. Cambia el viento y mira las lecturas.

  • Velocidad y dirección del viento para el estudio
  • Temperatura, humedad y presión alrededor
  • Cada sensor se lee por su propia conexión
NSEOVeletaanalógicaAnemómetropulsosTemp. y HRI2CPresiónSPI
Velocidad del viento0
Dirección del viento0
Temperatura exterior0
Presión0
ANALÓGICAPULSOSI2CSPI

Lecturas de sensores (ejemplo)

    Simulación ilustrativa. Valores de ejemplo, sin datos de la estación. El caso cita conexiones analógicas, I2C y SPI y no publica qué sensor usa cada una. En este ejemplo: la veleta en una entrada analógica, el anemómetro con pulsos en una entrada digital, la temperatura y la humedad por I2C y la presión por SPI.

    Tarea 2 · Sumar la lluvia

    Ahora, hoy, este mes y este año.

    El caso pide más de un valor de lluvia: la lluvia actual, los totales por día, por mes y por año, y la intensidad. El PLC puede llevar él mismo estos totales, con su reloj de tiempo real para cerrar cada día. Haz que llueva y ve a medianoche.

    • Lluvia actual e intensidad
    • Totales por día, mes y año
    • El reloj del PLC cierra cada día
    HoyEste mesEste año
    Intensidad0
    Hoy0
    Este mes0
    Este año0
    SECOLLUVIALLUVIA FUERTE

    Pluviómetro (ejemplo)

      Simulación ilustrativa. Valores de ejemplo, sin datos de la estación. El caso pide la lluvia actual y acumulada, por día, mes y año, y la intensidad de la lluvia. No publica el pluviómetro ni la lógica. En este ejemplo: un pluviómetro de balancín con 0,2 mm por basculada, la intensidad a partir de las basculadas de los últimos 10 minutos, lluvia fuerte desde 20 mm/h y el cierre del día a medianoche con el reloj de tiempo real del PLC.

      Tarea 3 · Enviarlo por GPRS

      De la estación a la nube, sin cables.

      El PLC envía los datos a la nube con su módulo GPRS y su antena, con HTTP u otro protocolo. Allí, una plataforma con una API y una base de datos guarda el registro y lo muestra en ordenadores, tabletas, pantallas HMI o un Panel PC. Corta la cobertura y recupérala.

      • GPRS: el único enlace en la mayoría de lugares
      • HTTP u otro protocolo hacia la nube
      • Una base de datos guarda el pasado para el pronóstico
      PLC×base de datosPanel PC
      Registros enviados0
      En espera en el PLC0
      Último envío0
      Filas en la base de datos0
      GPRS OKSIN COBERTURAENVIANDO PENDIENTES

      Enlace GPRS (ejemplo)

        Simulación ilustrativa. Valores de ejemplo, sin datos de la estación. El caso envía los datos por GPRS, con HTTP u otro protocolo, a una plataforma en la nube con una base de datos. No publica el intervalo de envío ni un búfer local. Guardar los registros en el PLC mientras no hay cobertura y enviarlos después es una forma habitual de hacerlo (store and forward). El intervalo de 10 minutos es un ejemplo.

        Arquitectura del sistema

        ¿Cómo se envían los datos meteorológicos desde un lugar sin red?

        Se conecta cada sensor al PLC por la conexión que usa su modelo: analógica, I2C, SPI u otra. Un programa del PLC lee y procesa todos los datos. Con su módulo GPRS y su antena, el PLC envía los datos a la nube con HTTP u otro protocolo. En la nube, una plataforma con una API y una base de datos guarda el registro y lo muestra. Lo leen ordenadores, tabletas, pantallas HMI o un Panel PC de Industrial Shields, si usan un protocolo compatible con la nube. En este caso el PLC es un M-Duino 42+ con GPRS y GSM.

        Estación meteorológicalejos de cualquier redVientovelocidad y direcciónTemp. y humedadinterior y exteriorPluviómetroahora, día, mes, añoPresiónvalor actualAnalógica / I2C / SPIM-Duino 42+ GPRSlee y procesaGPRSHTTP u otroPlataforma en la nubeAPI y base de datosOrdenadores, tabletascualquier pantallaPantallas HMIprotocolo de la nubePanel PCIndustrial ShieldsDisposición del caso. Hoy el M-Duino 42+ en su versión GPRS/GSM cumple la función del PLC; el ESP32 PLC 21 FLEX es la opción 4G.Vientovelocidad y direcciónTemp. y humedadinterior y exteriorPluviómetroahora, día, mes, añoPresiónvalor actualAnalógica / I2C / SPIM-Duino 42+ GPRSlee y procesaGPRS · HTTP u otroPlataforma en la nubeAPI y base de datosprotocolo de la nubePanel PCOrdenadores, tabletasDisposición del caso. Hoy el M-Duino 42+en su versión GPRS/GSM cumple la funcióndel PLC; el ESP32 PLC 21 FLEX es la opción 4G.
        Conexiones de sensores: analógica, I2C, SPIPLC con GPRSGPRS hacia la nubePantallas que leen la nube
        Señales y datos
        SeñalEntreTipoFunción
        Velocidad y dirección del vientoEntreSensores de viento → PLCTipoSegún el modelo de sensorFunciónEl dato principal del estudio del viento
        Temperatura y humedadEntreSensores interior y exterior → PLCTipoSegún el modelo de sensorFunciónDos lugares: interior y exterior
        LluviaEntrePluviómetro → PLCTipoSegún el modelo de sensorFunciónLluvia actual, totales por día, mes y año, e intensidad
        Presión atmosféricaEntreSensor de presión → PLCTipoSegún el modelo de sensorFunciónValor actual
        Conexiones de los sensoresEntreSensores → PLCTipoAnalógica, I2C, SPI u otraFunciónSegún el modelo, el tipo de dato y el tiempo de actualización
        Salida de datosEntrePLC → nubeTipoGPRS, con HTTP u otro protocoloFunciónEl GPRS es el único enlace en la mayoría de lugares donde tienen que estar los sensores
        RegistroEntrePlataforma en la nube → base de datosTipoAPI y base de datosFunciónHace que los datos del pasado sean tan útiles como los actuales
        MonitorizaciónEntreNube → ordenadores, tabletas, HMI, Panel PCTipoUn protocolo compatible con la nubeFunciónVista en tiempo real y seguimiento del tiempo
        Pronóstico meteorológicoEntrePlataforma → usuariosTipoSoftwareFunciónEn la lista del caso; sale del registro, no de un solo sensor

        Por qué funciona

        Un PLC para los sensores, un enlace para el lugar y un registro para el pronóstico.

        Un PLC para todas las conexiones

        Las entradas analógicas, el I2C y el SPI están en el mismo PLC. Un modelo de sensor nuevo necesita una conexión nueva y código nuevo, no otro controlador.

        GPRS donde no llega nada más

        El caso eligió el GPRS porque es la única comunicación disponible en la mayoría de lugares donde tienen que estar los sensores. La estación puede estar donde el tiempo se mide bien.

        Dividir el trabajo en partes

        Sensores, PLC, enlace GPRS, nube y plataforma. El caso lo dice claro: el proyecto puede parecer complejo, pero la clave es separar cada parte sin perder el objetivo común.

        Un registro que dura

        La base de datos guarda cada registro con su hora. Los datos actuales y los del pasado alimentan el pronóstico.

        Cualquier pantalla

        Los datos en la nube llegan a ordenadores, tabletas, pantallas HMI o un Panel PC de Industrial Shields, como el TouchBerry Pi Panel PC 10.1" FLEX.

        Abierto y modular

        No hay licencias que pagar. El proyecto se puede ampliar en el futuro si el cliente lo necesita.

        Del caso original

        El esquema del caso.

        Esquema de una estación meteorológica: sensores conectados por analógica, I2C o SPI a un PLC que envía los datos por GPRS a la nube y a un Panel PC
        El camino de los datos en el caso: sensores meteorológicos, analógica, I2C o SPI, el PLC, GPRS, almacenamiento en la nube y un Panel PC (imagen del caso original)
        M-DUINO ETHERNET PLC ARDUINO 42, PLC basado en Arduino para carril DIN
        El M-Duino 42+ tal como se vende hoy, versión Ethernet (imagen de producto)

        El caso no publica fotos de la instalación.

        Hardware

        El PLC del caso, hoy. Y una opción 4G.

        M-DUINO ETHERNET PLC ARDUINO 42, PLC basado en Arduino para carril DIN

        Modelo base actual M-DUINO ETHERNET PLC ARDUINO 42

        El M-Duino 42+ del caso, tal como se vende hoy. Tiene las entradas analógicas, el I2C y el SPI que usan los sensores del caso. Su versión GPRS/GSM añade el enlace móvil.

        Función en este diseño
        Lee todos los sensores meteorológicos, procesa los datos y los envía a la nube
        Controlador
        Arduino Mega 2560, se programa con el Arduino IDE
        Entradas
        26: 12 analógicas/digitales (0-10 V, 10 bits) y 14 digitales optoaisladas, de 5 a 24 Vdc, 4 con interrupción
        Salidas
        16: 6 analógicas/digitales/PWM y 10 digitales optoaisladas
        Buses y puertos
        I2C, SPI, RS-485, RS-232, serie TTL, Ethernet (W5500)
        Integrado
        Reloj de tiempo real, ranura microSD
        Alimentación y montaje
        De 12 a 24 Vdc, carril DIN TS35, IP20, de 0 a 60 °C

        El caso usó el M-Duino 42+ con GPRS y GSM. Ese producto ya no está en la tienda con su nombre antiguo. Esta página enlaza el M-Duino 42+ actual, y su versión GPRS/GSM se describe en la hoja de datos de la familia M-Duino GPRS. Pide la versión celular a nuestro equipo.

        ESP32 PLC 21 FLEX, PLC basado en ESP32 para carril DIN

        Opción 4G ESP32 PLC 21 FLEX

        Para un lugar donde quieres 4G en lugar de GPRS. La versión FLEX admite una placa 4G LTE-M/NB-IoT, y también se programa con el Arduino IDE.

        Función en este diseño
        La misma tarea, con un enlace 4G LTE-M/NB-IoT
        Entradas
        13: 6 analógicas/digitales (0-10 V, 11 bits) y 7 digitales optoaisladas, 2 con interrupción
        Salidas
        8: 3 analógicas/digitales/PWM y 5 digitales optoaisladas
        Buses y puertos
        I2C, SPI, RS-485, RS-232, Ethernet, wifi, Bluetooth LE
        Ampliación
        Una placa: 4G LTE-M/NB-IoT (u-blox SARA-R412M), LoRa o CAN
        Alimentación y montaje
        De 12 a 24 Vdc, reloj de tiempo real, carril DIN TS35, IP20

        No forma parte del caso original. El GPRS usa redes móviles 2G, y algunos operadores ya han apagado el 2G. Comprueba la cobertura en el lugar antes de elegir el enlace.

        Preguntas sobre este caso

        ¿Qué parámetros registra una estación meteorológica para un estudio del viento?

        En este caso: velocidad y dirección del viento; temperatura y humedad, interior y exterior; lluvia actual y acumulada, por día, mes y año; intensidad de la lluvia; presión atmosférica actual; y el pronóstico meteorológico. El viento es el dato principal del estudio. Los otros valores describen las condiciones a su alrededor.

        Analógica, I2C o SPI: ¿qué conexión usa cada sensor meteorológico?

        Depende del modelo de sensor. En este caso los sensores usan conexiones analógicas, I2C, SPI u otras, según el modelo, el tipo de dato y el tiempo de actualización. El M-Duino 42+ tiene entradas analógicas de 0-10 V, I2C y SPI, y entradas digitales con interrupción para sensores de pulsos. Comprueba la salida de cada sensor antes de elegir. Para ver una lista completa de sensores en un M-Duino 42, consulta la estación de un distrito de riego.

        ¿Por qué usar GPRS en una estación meteorológica remota?

        En este caso el GPRS era la única comunicación disponible en la mayoría de lugares donde tenían que estar los sensores. Ethernet y wifi necesitan una red cerca; el GPRS necesita cobertura móvil. El GPRS usa redes 2G, y algunos operadores ya han apagado el 2G, así que comprueba la cobertura en el lugar. Donde solo queda 4G, usa un PLC con una placa 4G LTE-M/NB-IoT, como el ESP32 PLC 21 FLEX.

        ¿Cómo suma el PLC la lluvia por día, mes y año?

        El caso pide estos totales y no publica la lógica. Una forma habitual: un pluviómetro de balancín da un pulso por cada cantidad fija de lluvia. El PLC cuenta los pulsos en una entrada con interrupción, los suma a los totales del día, del mes y del año, y usa su reloj de tiempo real para cerrar el día a medianoche. La intensidad es la lluvia de los últimos minutos, llevada a una hora. Pruébalo en el segundo panel.

        ¿Por qué una plataforma meteorológica necesita una base de datos?

        Para el pronóstico. El caso dice que la información actual tiene que ser tan útil como la anterior. Una base de datos guarda cada registro con su hora, así la plataforma puede mostrar tendencias, comparar temporadas y alimentar el pronóstico. El PLC envía los datos; la plataforma y la base de datos están en la nube.

        ¿Puedo ver los datos en un Panel PC de Industrial Shields?

        Sí. En este caso los datos de la nube los pueden leer ordenadores, tabletas, pantallas HMI o Panel PC de Industrial Shields, si usan un protocolo compatible con la nube. El caso añade que los Panel PC tienen muchas comunicaciones y E/S adicionales. Una opción es el TouchBerry Pi Panel PC 10.1" FLEX.

        Descarga el caso de estudio

        PDF de 4 páginas con el reto, la lógica, la arquitectura y el hardware. Sin formularios.

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