Introducción

La precipitación pluvial (Pp) es cualquier tipo o estado de agua que cae sobre la superficie del suelo medir la cantidad de Pp se realiza para obtener información sobre sus características espaciales y temporales, como intensidad, frecuencia, fase, duración y cantidad. La precipitación puede ser medida a través de pluviómetros o pluviógrafos. El pluviómetro registra información únicamente sobre la cantidad de lluvia y el pluviógrafo a diferencia del pluviómetro genera un pluviograma, una gráfica que registra la cantidad de Pp en función del tiempo. La Pp se puede reportar como lámina de lluvia (Lp) en un lapso de tiempo (tp) o bien, como intensidad de lluvia (I). La Lp se reporta en mm de lluvia donde 1 mm de lluvia equivale a 1 L. de agua caída en 1m².

El problema de la extracción de la información de los pluviogramas, es la de tener que ser interpretada por una persona especialista o que cuente con una capacitación previa, y la información no es precisa al señalar el tiempo en que comienza la lluvia.

El pluviógrafo está diseñado para determinar la intensidad de la lluvia durante largos periodos de tiempo. Este tipo de mediciones se utilizan en estudios hidrológicos, meteorológicos, climatológicos, agrícolas, etc. Determinar la distribución espacial y temporal de la precipitación ayuda a proponer políticas de planificación de inundaciones y generalmente para mitigar el impacto de precipitaciones extremas ^{Vannitsem y Naveau (2007)}. El desarrollo de tecnología que apoye directamente en estudios sobre el uso del agua, es indispensable para el desarrollo de una agricultura sostenible, que aumente su productividad y mejore la calidad de sus productos.

El pluviógrafo es un invento del siglo XIX; sin embargo, la primera patente es del pluviógrafo de flotador presentada por Chappell en mayo de 1938, ^{Chappell y Colt (1938)}. En abril de1966 fue patentado por Barker (^{Barker, 1966}) el primer pluviógrafo de balancín con registro gráfico de mediciones automáticas.

Existen trabajos de investigación donde se propone la automatización de alguno de los tres tipos de pluviógrafos. En ^{Méndez et al. (2013)} se presenta la automatización de un pluviógrafo de balanza, desarrollado en el Centro de Investigaciones Hidráulicas (CIH) en la Habana, Cuba, impulsado por las necesidades del desarrollo de la actividad hidráulica de ese país. En lo que refiere a la automatización de pluviógrafos tipo Hellman de sifón, ^{Sandoval et al. (2010)} presentan la implementación de un sistema electrónico para recopilar datos de Pp haciendo uso de un sistema de comunicación inalámbrica, y una aplicación software para el control, almacenamiento y análisis de los datos.

La medición de la intensidad de la lluvia en los pluviógrafos tradicionales emplea un mecanismo de relojería que mueve un tambor en el cual se coloca un rollo de papel donde se graba, con una plumilla, el registro de la lluvia caída de forma instantánea. Posteriormente el rollo de papel, al cual se le conoce como pluviograma.

Figura 1. Pluviograma que representa una tormenta. 

Obtener la información presentada en un pluviógrafo es una tarea que se ha buscado optimizar desde hace tiempo ^{Sansom (1987)} propuso un método para digitalizar la información generada por los pluviógrafos de esa época. Actualmente ^{Delitala et al. (2010)} exponen el desarrollo de un software desarrollado en la Universidad de Cagliari, Italia; basado en técnicas de tratamiento de imágenes capaz de procesar gráficas de los pluviógrafos y de manera automática procesar la señal y producir una base de datos con registros de precipitaciones continuas con una resolución de 5 a 10 min. El objetivo de este trabajo además de desarrollar una técnica que facilite la interpretación de la información de los pluviógrafos, fue crear un registro histórico de las precipitaciones del siglo pasado con el fin de mejorar la caracterización histórica del clima en esa región.

El prototipo de pluviógrafo se diseñó y armó, creando primero una cámara de sifón la cual consta de un tubo de PVC de 40 mm de diámetro y el sistema de sifón se construyó con un tubo de cristal en forma de U invertida con un extremo en la cámara de sifón y el otro extremo, el cual debe ser más largo, llega a un recipiente donde se recolecta la Pp después de ser medida. El recolector es la base del instrumento, encima de él se coloca la cámara de sifón y dentro de ésta se inserta el sensor de nivel de líquidos. La cámara de sifón tendrá una cubierta para aislarla del exterior, y encima de ella, embona la cámara de captación que es por donde entra la Pp al instrumento y tiene un diámetro de 16 cm, siendo ésta la parte superior del pluviógrafo.

El funcionamiento del circuito electrónico se describe en el diagrama de bloques de la Figura 3 y se compone de un sensor de nivel de líquidos marca eTape Millone el cual es un sensor de estado sólido de resistencia variable con el nivel de líquido presente en el recipiente donde se encuentre instalado. La salida es inversamente proporcional al nivel del líquido (Technologies, 2013); para controlar el sensor se hace uso de una tarjeta arduino uno, la cual es una plataforma de hardware libre que se basa en una placa electrónica con 6 entradas análogas y 14 digitales de entrada/salida, un microcontrolador Atmel y un entorno de desarrollo integrado para la programación del microcontrolador (^{Wilcher, 2012}). Para almacenar la información generada por el sensor se colocara una memoria microSD conectada al microcontrolador a través de un microSD shield, el cual es una placa que brinda al arduino comunicación con la tarjeta microSD (^{Banzi, 2011}). Para llevar el control del tiempo se hace uso del sensor DS1307. Para la interacción con el usuario se instaló una pantalla de cristal líquido (LCD) con una capacidad para mostrar 32 caracteres en dos filas.

Figura 2. Cámara de sifón. 

Figura 3. Diagrama de bloques de circuito electrónico. 

Como parte fundamental de este instrumento, se desarrolló un programa para interpretar los datos procesados por el sistema electrónico. La primera fase de este proceso fue determinar una metodología a la cual someter el proceso de desarrollo del programa. Las metodologías agiles de desarrollo de software se caracterizan porque tienen como objetivo centrarse en factores como el factor humano o el producto software (^{Reingart, 2012}). Para el desarrollo de este trabajo se eligió la metodología Personal Software Process (PSP) por centrarse en la gestión del trabajo individual de los programadores (^{von Konsky et al., 2005}), El PSP es una metodología que consta de un conjunto de prácticas disciplinadas para la gestión del tiempo (^{Salinas et al., 2011}) y mejora de la productividad personal de los programadores o ingenieros de software, en tareas de desarrollo de software ^{Rodríguez (2013)}.

La estructura del proceso PSP comprende las fases de: Análisis de requerimientos, planeación, diseño, codificación, compilación, pruebas y post mortem (^{Watts, 2000}). Los métodos utilizados por esta metodología se han introducido en una serie de siete versiones, y cada una introduce nuevos elementos que son registrados en diversos formatos. En este trabajo se utilizó el script de la versión PSP0, la cual tiene cuatro formularios: PSP0 Project Plan Summary, PSP0 Time Recording Log. PSP0 Defect Recording Log, PSP0 Defect Type Standard. Usado para definir tipos de defectos estándares Chávez y Hoyos (2013).

El producto de software final está constituido por los componentes que se muestran en la Cuadro 1.

El circuito electrónico permite la comunicación con el usuario a través de la pantalla LCD y los botones que le permiten ajustar la fecha y hora en que se comenzará a medir la cantidad de precipitación pluvial (Figura 4).

Figura 4. Interfaz del hardware. 

En la Cuadro 2 se presenta el costo de cada elemento que compone la estructura construida.

El software desarrollado para este instrumento se puede ejecutar sobre un equipo de cómputo portátil o de escritorio y se compone de los siguientes módulos: El módulo principal, se encarga de presentar al usuario la información que se tiene almacenada en el equipo de cómputo, de mediciones realizadas previamente; Módulo de eventos de lluvia, se encarga de calcular cuántos eventos de lluvia se registraron durante el periodo de tiempo en que el aparato estuvo midiendo (Figura 5). Para cada evento de lluvia presenta, fecha y hora en que comenzó a llover, duración en minutos del evento, cuantos mm de precipitación pluvial se registraron y la energía cinética de la lluvia; módulo de Excel, se encarga de almacenar en una hoja de cálculo la información de los eventos de lluvia; módulo de pluviogramas, el cual permite visualizar gráficamente como sucedió el evento de lluvia (Figura 5); módulo de hietogramas, para visualizar el hietograma correspondiente a cada evento de lluvia.

Figura 5. Pantalla de sistema que muestra un pluviograma y descripción de un evento de lluvia. 

Conclusiones

El sensor de nivel de líquidos presenta una buena correlación entre sus registros y las mediciones del pluviógrafo presentando una histéresis de ±5%. El costo del instrumento propuesto lo hace asequible a bajos presupuestos conservando, incluso mejorando la precisión en sus mediciones.