Disseny i implementació d’una estació meteorològica amb autonomia energètica i comunicació LoRa

Abstract

Aquest Treball Final de Grau presenta el disseny i implementació d’una estació meteorològica autònoma, energèticament autosuficient i capaç de transmetre dades de forma sense fils. La motivació parteix d’una inquietud personal per la meteorologia i la seva aplicació en l’àmbit agrícola, així com l’interès personal en els sistemes electrònics i la comunicació. L’objectiu principal ha estat desenvolupar un sistema capaç de mesurar variables com la temperatura, humitat relativa, pressió atmosfèrica, velocitat i direcció del vent, precipitació acumulada i lluminositat, garantint una autonomia energètica mitjançant energia solar fotovoltaica i bateries recarregables. S’han integrat sensors específics per a cada mesura i s’ha desenvolupat un sistema modular controlat per un microcontrolador Lilygo TTGO LoRa 32, basat en ESP32, que permet reduir el consum i realitzar la comunicació de gran abast LoRa (Long Range). La memòria inclou el càlcul de consums, la selecció i integració de components, el disseny de la PCB i la validació experimental del sistema. Els resultats obtinguts indiquen que segons la configuració escollida, el sistema pot arribar a un funcionament continuat sense interrupcions durant cinc mesos de forma autònoma. El projecte demostra que una estació d’aquest tipus és tècnicament viable i econòmicament assequible, i pot tenir aplicacions en àmbits educatius, agrícoles, científics i de sensibilització ciutadana. També es preveu el disseny modular del sistema, que redueix l’impacte ambiental i permet reparacions i manteniment a un cost inferior. S’han detectat diverses limitacions relacionades amb l’ús de la tecnologia de comunicació LoRa que afecten la transmissió de les dades, però s’aporten solucions per a obtenir un model alternatiu. Tot i les limitacions detectades es considera que els objectius s’han assolit majoritàriament, i s’ha obtingut un sistema complet i funcional capaç d’obtenir mesures reals de forma acurada.

Este Trabajo Final de Grado presenta el diseño e implementación de una estación meteorológica autónoma, energéticamente suficiente y capaz de transmitir datos de forma inalámbrica. La motivación parte de una inquietud personal por la meteorología y su aplicación en el ámbito agrícola, así como el interés personal en los sistemas electrónicos y la comunicación. El objetivo principal ha sido desarrollar un sistema capaz de medir variables como la temperatura, la humedad relativa, la presión atmosférica, la velocidad y dirección del viento, la precipitación acumulada y la luminosidad, garantizando una autonomía energética mediante energía solar fotovoltaica y baterías recargables. Se ha desarrollado un sistema modular controlado por un microcontrolador Lilygo TTGO LoRa32, basado en ESP32, que permite reducir el consumo y realizar la comunicación de gran alcance LoRa (Long Range). La presente memoria incluye el cálculo de consumos, la selección e integración de componentes y la validación experimental del sistema. Los resultados obtenidos indican que, según la configuración escogida, el sistema puede alcanzar un funcionamiento continuo sin interrupciones durante cinco meses de forma autónoma. El proyecto demuestra que una estación de este tipo es técnicamente viable y económicamente asequible, y puede tener aplicaciones en ámbitos educativos, agrícolas, científicos y de sensibilización ciudadana. Se prevé el diseño modular del sistema, que reduce el impacto ambiental y permite reparaciones y mantenimiento a un coste inferior. Se han detectado diversas limitaciones relacionadas con el uso de la tecnología de comunicación LoRa que afectan a la transmisión de datos, pero se aportan soluciones para obtener un modelo alternativo. A pesar de las limitaciones detectadas, se considera que los objetivos se han alcanzado mayoritariamente y se ha obtenido un sistema completo y funcional capaz de obtener medidas reales de forma precisa.

This Final Degree Project presents the design and implementation of an autonomous weather station, energetically self-sufficient and capable of transmitting data wirelessly. The motivation arises from a personal interest in meteorology and its application in the agricultural field, as well as a strong interest in electronic systems and communication. The main objective has been to develop a system capable of measuring variables such as temperature, relative humidity, atmospheric pressure, wind speed and direction, accumulated precipitation and luminosity, ensuring energy autonomy through photovoltaic solar power and rechargeable batteries. A modular system has been developed, controlled by a Lilygo TTGO LoRa32 microcontroller, based on the ESP32, which allows for low energy consumption and long-range LoRa communication. This report includes the calculation of energy consumption, selection and integration of components, and experimental validation of the system. The results obtained indicate that, depending on the selected configuration, the system can operate continuously without any interruption for up to five months autonomously. The project demonstrates that a station of this kind is technically feasible and economically accessible, and it may have application in educational, agricultural, scientific and public awareness contexts. Furthermore, the modular design of the system contributes to reducing environmental impact and facilitates repair and maintenance at a lower cost. Some limitations have been identified regarding the use of LoRa for data transmission, but alternative solutions are proposed to ensure reliable performance. Despite the limitations encountered, the objectives have been largely achieved, and a complete and functional system capable of accurately collecting real-world data has been obtained.