PDF de programación - Diseño de un Sistema de Monitoreo Meteorológico Utilizando la Metodología de Codiseño Hardware/Software

Diseño de un Sistema de Monitoreo Meteorológico

Utilizando la Metodología de Codiseño

Hardware/Software

Matías Martínez1, Juan Ignacio Sala2, José Rapallini3, Hugo Mazzeo4.

{martinezamatias, nachosala89, josrap}@gmail.com, [email protected].



3 4 Docentes, CODAPLI (Proyecto de Investigación en Codiseño Hardware Software para Apli-

1 2 Alumnos de la cátedra Aplicaciones en Tiempo Real.

1 2 3 4 Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional La Plata., La Plata, Argentina.

caciones en Tiempo Real).

Resumen. En este artículo se presenta un proyecto realizado para la cátedra
Aplicaciones En Tiempo Real que consiste en el desarrollo de un prototipo de
un Sistema de Monitoreo Meteorológico.

Mediante la Metodología de Codiseño Hardware/Software se llegó a la im-
plementación del mismo. El sistema posee una arquitectura distribuida que
cumple con los requerimientos propuestos en las fases iniciales del desarrollo, y
que consisten en la adquisición, transporte y consumo de los datos.

El prototipo implementado consta de 2 subsistemas principales, el dispositi-
vo de adquisición de datos, que está basado en una placa Arduino MEGA y un
servidor de aplicación que permite el almacenamiento y el acceso a los datos a
distintos clientes, tanto en tiempo real como de forma histórica.

Keywords: Codiseño Hardware/Software, Sistemas Embebidos, Sensores,
HTTP, Arduino.

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Introducción

Una Estación Meteorológica Automática (EMA) posee un número muy amplio de
aplicaciones, que van desde la simple observación de variables climáticas hasta la
detección y prevención de incendios forestales.

En general, poseen un conjunto de sensores para obtener las distintas variables me-
teorológicas, un datalogger y posibilidades de telemetría. Además, en casos de esta-
ciones situadas en locaciones remotas, las mismas cuentan con fuentes de energía
como paneles solares y baterías recargables.

Por otro lado, existen diversas opciones para que una EMA reporte los datos que
recolecta, ya sea por una conexión local a una computadora, haciendo uso de enlaces
inalámbricos o incluso satelitales.

Para el desarrollo del proyecto se ha utilizado la Metodología de Codiseño
HW/SW. Ésta metodología apunta a satisfacer los objetivos a nivel sistema haciendo

EST 2015, 18º Concurso de Trabajos Estudiantiles. 44 JAIIO - EST 2015 - ISSN: 2451-76154 uso de las interacciones entre el hardware y el software a partir del diseño en paralelo
de ambos subsistemas. A continuación se realiza una breve descripción de la misma.

2 Metodología De Codiseño Hardware-Software

Según [1] el codiseño es “el proceso de diseño de un sistema que combina las pers-
pectivas hardware y software desde los estados primarios, para aprovechar la flexibi-
lidad del diseño y la localización eficiente de las funciones”.

La Metodología utilizada como referencia define las etapas que se describen a con-

tinuación:

─ Definición del problema a solucionar: Una diferencia importante de los sistemas
embebidos y de tiempo real con los sistemas de información más tradicionales es
que los problemas que resuelven son más específicos y acotados y por lo tanto su
conceptualización es en muchos casos más simple.

─ Especificación: Con la información de la etapa anterior se determinan los requeri-
mientos, entradas, salidas, interfaces con el medio que requiere la solución. En esta
etapa se produce un documento que explicita los requerimientos funcionales y no
funcionales del sistema.

─ Descripción formal del sistema: Tiene como objetivo describir, independientemen-
te de cualquier implementación, al sistema mediante un modelo formal del mismo.
─ Simulación: Con los modelos que describen al sistema se realizan una serie de
simulaciones que permitirán verificar los requerimientos y refinar el diseño del sis-
tema.

─ Partición HW/SW: Consiste en seleccionar una arquitectura y plataforma de im-
plementación y asignar las tareas en los recursos elegidos para la implementación.
─ Cosíntesis: Adaptación y mapeo de los modelos realizados en los elementos selec-

cionados para formar parte de la implementación.

─ Cosimulación: Validación de la transformación realizada comprobando el cumpli-

miento de requerimientos.

─ Implementación: En cuanto al hardware, se traslada lo descripto a los dispositivos
elegidos, o se realiza la fabricación de los circuitos integrados necesarios. En
cuanto al software, se realiza el desarrollo del mismo.

─ Verificación: Integración del hardware y software y generación de un prototipo.

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Estado del Arte

En la actualidad, entre los vendedores más destacados se encuentran Davis Instru-
ments, Texas Weather Instruments y AcuRite.

Existen diversos tipos de productos, que varían en función de su aplicación. El

modelo más básico consiste en:

 La estación propiamente dicha, la cual se encarga de la captura de distin-

tas variables mediante los sensores que la componen.

EST 2015, 18º Concurso de Trabajos Estudiantiles. 44 JAIIO - EST 2015 - ISSN: 2451-76155  La consola de visualización, que recibe los datos enviados por la estación

y se encarga de presentarlos.

La comunicación entre la consola y la estación depende de la gama, el tipo de pro-
ducto y el público objetivo del producto. La misma puede ser tanto cableada como
inalámbrica.



Este tipo de productos típicamente incluye los siguientes sensores y elementos

auxiliares:

 Temperatura y humedad
 Anemómetro
 Sensor de lluvia
 Panel para alimentar la estación
 Sensores de radiación solar

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Desarrollo del Sistema

4.1 Especificación y Requerimientos

Partiendo del problema inicial planteado, que es el desarrollo del sistema de monito-
reo meteorológico, se determinaron los siguientes requerimientos:

Funcionales:

 Adquisición de variables meteorológicas: temperatura, humedad relativa, presión

atmosférica, velocidad y dirección del viento.

 Debe permitirse contar con datos de más de una estación.
 Cálculo de sensación térmica.
 Consultas en soft real time.
 Consultas históricas.

No Funcionales:

 En lo temporal, definimos un intervalo de actualización de 1 minuto.
 En cuanto a una consulta en tiempo real, su tiempo de respuesta debe ser inferior a

los 5 segundos.

 Bajo consumo de energía eléctrica para las estaciones.

4.2 Descripción Formal del Sistema

En base a los requerimientos definidos, comenzamos a modelar el sistema. En la Fig.
1 observamos el diagrama de definición de bloques de SysML a nivel sistema, donde
establecemos a alto nivel como estará constituido el mismo[2]. El sistema estará for-
mado por dos partes, las estaciones y un servidor que almacenará y distribuirá la in-
formación.

EST 2015, 18º Concurso de Trabajos Estudiantiles. 44 JAIIO - EST 2015 - ISSN: 2451-76156 Fig. 1. Diagrama de Definición de Bloques



A su vez, como vemos en la Fig. 2 definimos el Diagrama de Bloques Interno de la
Estación.

Fig. 2. Diagrama de Bloques Interno de la Estación.



4.3

Simulación

Como parte del desarrollo se realizaron diversas simulaciones con el fin de analizar
los resultados y obtener conclusiones a partir de ellos, para validar los objetivos y

EST 2015, 18º Concurso de Trabajos Estudiantiles. 44 JAIIO - EST 2015 - ISSN: 2451-76157 alcance definidos en el proyecto. De esta manera se realizaron aproximaciones suce-
sivas a la definición del alcance del prototipo.

Las herramientas utilizadas para las mismas fueron: Red de Petri, ADA y C. Las
simulaciones realizadas con ADA1 y C incluyeron la utilización de una placa conecta-
da al puerto paralelo de una PC.

Utilizando la Red de Petri (Fig. 3) modelamos el comportamiento del sistema en su
conjunto, para el caso de una consulta en tiempo real, que consiste en una operación
de consulta sincrónica que comienza con una solicitud de un cliente, lo que genera
una serie de pasos en los que el servidor envía la consulta a la estación, la misma
adquiere los datos de los sensores y los devuelve al mismo, que se encarga de realizar
la respuesta para el cliente.

Fig. 3. Red de Petri.



4.4

Partición Hardware/Software

Teniendo claros los requerimientos y una especificación formal del sistema, procede-
mos a definir la plataforma sobre la cual se realizará la implementación del prototipo.



1 Código fuente disponible en: https://github.com/matias-martinez/ada-tasks-

lpt/commit/57c96ebfc10f65bc6c131363df17c316615f60a3 .

EST 2015, 18º Concurso de Trabajos Estudiantiles. 44 JAIIO - EST 2015 - ISSN: 2451-76158 Hardware:

1. Arduino MEGA
2. Sensor de presión barométrica BMP180
3. Sensor de temperatura y humedad DHT22
4. Servidor. Procesador IntelCore i3 + 4GB de RAM

Software:
1. Arch Linux: Sistema operativo para el Servidor
2. Python 2.7.x
3. Framework Web Python Flask
4. MongoDB
5. Librerías Javascript

(a) D3
(b) socketIO
(c) epoch



De la partición seleccionada puede notarse la ausencia de sensores de velocidad y
dirección del viento. Se decidió limitar las variables medidas porque el objetivo es
obtener un prototipo económico y en el menor tiempo posible.

Otra decisión de diseño tuvo que ver con la comunicación entre la estación y el

servidor. En este primer prototipo se optó por utilizar el puerto serie.

4.5

Implementación

Todo el código generado para la implementación, tanto de Arduino como del Servi-
dor, se pueden encontrar en [3].

Por un lado se realizó la implementación de la estación, que consistió en la co-
nexión de los sensores y la programación del código necesa