Jorge Gatica Velásquez
Ingeniero Civil en Informática
Analista y Desarrollador en Agrometeorología, INIA Remehue
jorge.gatica@inia.cl
Rodrigo Bravo Herrera
Ingeniero Agrónomo Mg. Ec. Dr. Cs. Agr.
Encargado Nacional de la Red Agroclimática, INIA Remehue
rbravo@inia.cl
Contenido
1. Introducción
2. Arquitectura del sistema de comunicaciones
3. Módem de transmisión
4. Tarjeta SIM
5. Fuente de energía de las estaciones meteorológicas
6. Servidores INIA del sistema
7. Funcionamiento del sistema de comunicación y gestión de datos
7.1. Comunicación remota de datos de las estaciones meteorológicas automáticas
7.2. Envío de datos instantáneo y rezagado
7.3. Gestión de energía en las estaciones meteorológicas automáticas
7.4. Recepción y almacenamiento de datos
7.5. Tecnologías utilizadas
Introducción
Hace algunos años, la forma habitual de obtener las variables agrometeorológicas era mediante la recolección presencial de un observador, quien de forma manual, capturaba el registro del instrumento a diferentes horas del día en una planilla diseñada especialmente para este fin, la cual posteriormente era digitada en un computador para ser almacenada en formato digital.
Hoy en día, gracias a los avances en telecomunicaciones e informática, es posible hacer este proceso automáticamente y en forma remota desde prácticamente cualquier lugar. Esto ha permitido tener una alta disponibilidad, en forma casi instantánea, de los datos para ser visualizados, analizados e incorporados a sistemas meteorológicos que proveen información relevante. En el caso de la agricultura, que es altamente dependiente del clima, permite generar decisiones, aplicaciones y servicios de información para usuarios de interés, tales como: productores, empresas agrícolas y profesionales de las diferentes industrias agropecuarias y agentes del sector público.
Con el fin de proveer un bien público de servicios de información para el sector agrícola, el Instituto de Investigaciones Agropecuarias (INIA) ha desarrollado e implementado un sistema de captura y registro de datos agrometeorológicos, en forma remota, desde estaciones meteorológicas automáticas (EMA). En este capítulo, se presentan las principales características del sistema de comunicación remota de datos de la Red de Estaciones Meteorológicas de INIA, permitiendo que la agricultura nacional y otras industrias puedan disponer de información meteorológica en tiempo real.
En la Figura 1 se muestra una EMA con una antena de telefonía celular para transmitir automáticamente cada 1 hora, los datos agrometeorológicos que leen los sensores.
Figura 1. Sensor de temperatura y humedad relativa del aire en protección solar, antena para transmisión de datos y anemómetro. Fuente: INIA La Platina.
Arquitectura del sistema de comunicaciones
El sistema de comunicaciones está compuesto por un conjunto de elementos electrónicos y computacionales interconectados entre sí, permitiendo la transmisión y almacenamiento de paquetes de datos, entre cada nodo de la red de estaciones meteorológicas y el servidor de datos. A continuación, se detallan cada uno de estos elementos.
Módem de transmisión
El módem es un equipo que permite la comunicación entre máquinas (M2M o machine to machine), es decir, el proceso de intercambiar datos entre dos equipos. En el caso de las estaciones meteorológicas, en un extremo el Datalogger o registrador de datos y en el otro extremo el servidor que recibe los datos enviados. En la Figura 2 se ilustra la arquitectura de transmisión de los equipos.
El equipo módem utilizado por INIA permite la comunicación de los datos en forma remota a través de redes 2G y 3G en todas las bandas de transmisión que establece la normativa vigente en Chile (700, 850, 900 y 1900 MHz, además de AWS) para las compañías operadoras de telefonía móvil en Chile con red propia (Entel, Movistar, Claro y WOM). Los demás operadores, en el mercado nacional, operan sobre estas redes como operadores virtuales (Cuadro 1).
Figura 2. Arquitectura del sistema (diagrama propio).
Cuadro 1. Cuadro 1. Tecnologías y bandas de transmisión utilizadas por operadores de telefonía móvil en Chile.
Tarjeta SIM
Cada módem de transmisión cuenta con una tarjeta SIM, llamada así por sus siglas en inglés Subscriber Identity Module. Estas tarjetas están asociadas a un plan de transmisión de datos mensual de 5 MB por estación, logrando así que el equipo tenga conectividad celular mediante 2G/3G de forma constante.
Cada SIM es multioperador, lo cual permite que las estaciones meteorológicas se conecten con cualquiera de los proveedores de telefonía en Chile, sin necesitar un cambio de tarjeta SIM. La ventaja de esto es que, si un operador de telefonía móvil pierde conectividad en algún momento en el sitio de monitoreo, la SIM busca y se conecta a otro operador con calidad de señal aceptable para la transmisión de los datos. La conexión con uno u otro operador de telefonía dependerá del lugar geográfico en que se encuentre emplazada la estación y la calidad de la señal de cada operador de telefonía.
Fuente de energía de las estaciones meteorológicas
El sistema de energía con que funciona la estación meteorológica es autónomo y suministra energía tanto al Datalogger, sensores y módem de las estaciones.
Está compuesto por un panel solar, cuya potencia varía de 20 a 50 watts, dependiendo de la latitud en que está ubicada la estación. Además, cuenta una batería de 12V 12A (12 volts y 12 amperes) y un regulador de voltaje que permite la recarga de la batería mediante el panel solar. El esquema en la Figura 3 muestra los componentes del sistema de energía.
Figura 3. Fuente de Energía.
Servidores INIA del sistema
Los servidores son sistemas computacionales en red que, en este caso, son utilizados para colectar, procesar y almacenar los datos de las estaciones meteorológicas. Cada estación meteorológica intercambia datos con los servidores de INIA, en este intercambio de datos es preciso contar con los siguientes servidores:
Servidor de comunicación: Su tarea es aceptar la comunicación de todos los nodos activos (estaciones meteorológicas) en el minuto que deben enviar los datos registrados. Una vez que reconoce que es un nodo válido dentro de la red, es habilitado el proceso de intercambio de datos entre ambos subsistemas.
Servidor primario de bases de datos: Una vez habilitada la comunicación con alguna estación (servidor de comunicación-estación meteorológica), los datos recolectados son asociados a la variable meteorológica correspondiente y almacenados en la base de datos maestra.
Servidor secundario de bases de datos: Al mismo tiempo que se realiza el almacenamiento de los datos en el servidor primario o maestro es realizado en un servidor secundario o esclavo. Esto permite tener una alta disponibilidad de los datos almacenados.
Servidores de publicación web: Son utilizados para el acceso público de los datos. En estas máquinas se encuentran habilitados los servicios de visualización y consulta de datos a través de http://agrometeorologia.cl, además de los diferentes sistemas que utilizan los datos meteorológicos recolectados como el Sistema de Alerta de Tizón Tardío, (http://tizon.inia.cl), Sistema de Monitoreo de la Avispa Chaqueta Amarilla (www.avispa-t.cl), el Sistema Pasto (pasto.inia.cl), entre otros.
Funcionamiento del sistema de comunicación y gestión de datos
Comunicación remota de datos de las estaciones meteorológicas automáticas
Las estaciones meteorológicas de la red de INIA almacenan datos de los sensores instalados, en cada una, cada 15 minutos. Una vez realizado el registro, el protocolo establece que se procede a transmitir estos datos a los servidores de INIA tal como ilustra la Figura 4.
Figura 4. Esquema de comunicación de los datos de la red de agrometeorología INIA.
El proceso comunicación se realiza en el segundo exacto después de haber sido almacenados los datos en la estación, permitiendo contar con los datos de forma prácticamente instantánea (4 segundos de rezago en promedio). Para lograr esto, además es necesario realizar una sincronización diaria entre los relojes del servidor y el Datalogger, manteniendo la misma hora, minutos y segundos entre ambos equipos.
El ciclo de transmisión es realizado cada 15 minutos. El módem es encendido de forma automática momentos antes de la transmisión para que se conecte oportunamente a una red de telefonía móvil. Luego, el equipo queda a la espera de datos para transmitir. En el ciclo de 15 minutos, las variables recolectadas son formateadas en una cadena de texto para ser enviada vía 2G/3G a los servidores a través de Internet. Realizado el envío de datos, el módem queda a la espera de la confirmación de la recepción de los datos (comunicación exitosa o fallida), entonces, el equipo procede a apagarse hasta un nuevo ciclo de transmisión.
En el caso de comunicación fallida, el módem intentará enviar nuevamente los datos rezagados en el próximo ciclo, acompañado ahora de los nuevos datos, lo que se denomina envío por rezagado por lotes.
Envío de datos instantáneo y rezagado
Existen dos tipos de comunicación para el envío de datos:
Instantáneo: Es cuando la transmisión no ha tenido datos rezagados y se envía la cadena de datos inmediatamente después que es almacenada en el Datalogger de la estación, teniendo como resultado un tiempo promedio de cuatro segundos entre el almacenaje en la EMA y en los servidores de INIA.
Rezagado: Es cuando uno o más datos no han logrado ser transmitidos. Para este caso la cadena de datos pendiente se agrupa y se envía parcialmente, estableciendo un máximo de datos a enviar por cada ciclo de transmisión. En cada ciclo se envía un máximo de 24 cadenas de datos (6 horas de muestras). Esta forma permite que, en las ocasiones en que no están funcionando las redes de telefonía móvil, los datos rezagados se actualizan automáticamente cuando las comunicaciones se restablecen.
En la Figura 5 se detalla un esquema del funcionamiento del Datalogger al transmitir datos.
Figura 5. Esquema de funcionamiento del Datalogger. Elaboración propia.
Gestión de energía en las estaciones meteorológicas automáticas
Entre los dispositivos instalados en la estación meteorológica automática, el que consume la mayor proporción de energía producida, es el módem de comunicación. Para resguardar el funcionamiento de la estación y evitar que se agote la batería (lo que provocaría pérdida datos), se ha condicionado el encendido del módem según lo siguiente (ilustrado en la Figura 5):
Gestión Envío Instantáneo y Rezagado de Datos: Para el envío de datos, la carga de la batería debe ser superior o igual a 11,5 volts. Si este criterio no se cumple, el módem no se enciende y el envío de datos se rezaga hasta que el voltaje de la batería vuelva a la normalidad (12 volts o superior) por la energía producida por el panel solar.
Gestión Envío Rezagado de datos: En el caso del envío rezagado de datos al servidor, éste está condicionado a los siguientes criterios:
- Una carga superior a 11,5 volts.
- Un lote de datos rezagados máximo de 24 cadenas por ciclo (6 horas de datos).
- Solo si la radiación solar incidente es mayor o igual a 100 w/m2, permitiendo esto asegurar un envío masivo solo durante un día despejado, que es cuando la batería se recarga, de lo contrario se corre el riesgo de descarga de la batería por un envío masivo (varios días de datos rezagados) durante horas sin sol.
El encendido y apagado del equipo de comunicación es posible gracias a un relé electromagnético integrado en el mismo datalogger, el cual funciona como un interruptor controlado por el circuito eléctrico, permitiendo abrir o cerrar el circuito que alimenta de energía al módem.
Recepción y almacenamiento de datos
Una vez recibidas las cadenas de datos enviadas por las estaciones al servidor de comunicaciones, éstas son validadas, tanto en formato como en contenido. Si las validaciones son correctas, los datos son almacenados en las bases de datos de agrometeorología y quedan disponibles para ser utilizados y publicados en los diferentes sistemas que posee INIA.
En la Figura 6 se ilustra el flujo de los datos recolectados a los servidores de INIA.
Tecnologías utilizadas
Las tecnologías utilizadas en cada elemento de la red son las siguientes.
- Sistemas Operativos Servidores: cada servidor (Web, Base de Datos y Comunicaciones) está montado sobre el sistema operativo Linux, el cual es libre, multiplataforma, multiusuario y multitarea, basado en Unix. La bifurcación utilizada es CentOS 7 de la distribución GNU/Linux Red Hat Enterprise Linux RHEL.
- Sistema Operativo Datalogger: La versión utilizada y requerida para el correcto funcionamiento por cada Datalogger CR1000 es la CR1000.Std.21 o superior (la actual es la CR1000.Std.32).
- Servidores de Base de Datos: Para gestionar los datos es utilizado MariaDB Server, el cual es una de las bases de datos relacionales de código abierto más populares. Está hecho por los desarrolladores originales de MySQL y se garantiza que seguirá siendo de código abierto. Es parte de la mayoría de las ofertas en la nube y el valor predeterminado en la mayoría de las distribuciones de Linux.
- Servidores de Comunicaciones: JavaScript mediante Node.js 12 es utilizado para manejar las comunicaciones en red. Concebido como un entorno de ejecución de JavaScript orientado a eventos asíncronos, Node.js está diseñado para construir aplicaciones en red escalables.
- Lenguajes de Programación: Para la gestión de las comunicaciones recibidas por el servidor Node.js, es el mismo Node.js (mediante javascript de lado del servidor) quien se encarga de validar, formatear e insertar los datos en los servidores de Base de Datos.
- Servidor de Consulta Web: El servidor web que permite visualizar y consultar datos está habilitado en Apache HTTP Server 2.2, de código abierto y multiplataforma. Es mantenido y desarrollado por la Apache Software Foundation.