遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)測站開源分享

描述

平溪（密蘇里州卡斯維爾）

根據(jù)維基百科...

Flat Creek 是密蘇里州南部巴里和斯通縣的一條溪流。它是詹姆斯河的一條支流。... Flat Creek 之所以如此命名，是因為它在卡斯維爾附近的路線附近是平坦的地形。

對我來說，它代表了更多。小時候，我在 Flat Creek 游泳和釣魚長大，它在我心中占有非常特殊的位置。隨著我的孩子長大，我想分享我對小溪的熱愛，并與他們一起創(chuàng)造新的回憶。

可悲的是，我注意到一般污染的增加（例如泡沫塑料杯、塑料瓶、鋁罐），我開始想知道水中還有什么看不見的東西。通常，這種“看不見的”危險對野生動物和公共健康構(gòu)成最大威脅。

Flat Creek 有幾個潛在的水污染源：

• 卡斯維爾廢物處理設(shè)施
• 卡斯維爾市的雨水徑流
• 農(nóng)業(yè)化肥中的硝酸鹽

我的目標(biāo)

我決定在這個地球日專門創(chuàng)建一個遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)測站。具體來說，一種使用廣泛可用、價格合理且相對準(zhǔn)確的傳感設(shè)備的設(shè)備。我的目標(biāo)是創(chuàng)建一個可以由全國各地的 STEM 課堂和愛好者輕松重現(xiàn)的藍(lán)圖，并促進(jìn)更好地理解、認(rèn)識和尊重我們對環(huán)境的影響。

數(shù)據(jù)就是力量，有了足夠的數(shù)據(jù)，我們就可以聯(lián)系我們各自的市政當(dāng)局，并為他們提供他們需要的所有信息，以尋求或分配資金來保護(hù)和保護(hù)我們的天然水道。

設(shè)備

不久前，檢測水質(zhì)需要化學(xué)品、試紙和實(shí)驗室設(shè)備。幸運(yùn)的是，最近傳感器和無線網(wǎng)絡(luò)的商品化和普遍可用性帶來了前所未有的無限可能性。

該項目是Blues Wireless和Atlas Scientific之間自然合作的結(jié)果。這些公司共同擁有創(chuàng)建完美解決方案所需的所有組件。Atlas Scientific 是環(huán)境機(jī)器人（包括水質(zhì)傳感設(shè)備）的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者，他們慷慨地提供了來自其商標(biāo)Gravity系列傳感器的全系列傳感器。Blues Wireless 是該項目的贊助商，并提供Notecard和Notecarrier-AL ，它為任何產(chǎn)品提供了最快、最便宜的物聯(lián)網(wǎng)路徑。

傳感器陣列

監(jiān)測站由六個傳感器組成，它們提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)和洞察力，使我們能夠確定河流的整體健康狀況。

• 水溫探頭
• 總?cè)芙夤腆w探針
• 濁度傳感器
• 溶解氧探頭
• 氧化還原電位探針
• pH 探頭

蜂窩連接

Notecard 有一個內(nèi)置的蜂窩調(diào)制解調(diào)器，由 JSON API 控制。Notecarrier-AL 提供與 Notecard 的 M.2 連接器的引腳連接，并且板載蜂窩天線和 GPS 天線。

藍(lán)調(diào)無線記事卡

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能源管理

也許令人驚訝的是，Notecard 和 Notecarrier-AL 還提供了高效的電源管理解決方案。Notecarrier-AL 具有預(yù)焊接的 JST 連接器，可以接受 ~4-7V 太陽能電池板和可充電電池。同時，Notecard 可以配置為切換到主機(jī) MCU 的電源，并在指定的時間段內(nèi)以低功耗模式空閑。

總而言之，Notecard 和 Notecarrier-AL 的結(jié)合可以使任何項目都具有無線和電源性能！

構(gòu)建

為了在溪流中取得成功，外殼必須能夠漂浮，帶有太陽能電池板，易于發(fā)現(xiàn)（用于恢復(fù)），并且在一定程度上“防水”。

為了滿足這個標(biāo)準(zhǔn)，我選擇使用字段框。它們專為彈藥而設(shè)計，因此具有防潮蓋、大容量和鮮艷的色彩。墻壁是 2.5 毫米厚的注塑成型塑料，因此重量輕、堅固且易于修改。

密蘇里州西南部位于龍卷風(fēng)巷的中心地帶，4 月份我們遇到了極端天氣。Flat Creek 平靜的溪流可以在短短幾個小時內(nèi)變成洶涌的洪流。出于這個原因，我認(rèn)為水是我最大的危險。

水害

• 集裝箱進(jìn)水和傾覆
• 暴雨滲入圍墻
• 流水從探頭周圍的索環(huán)滲出
• 濕度收集在外殼的墻壁上

我最大的恐懼是盒子會從它的泡沫塑料帶上撕下來，傾覆，并在它找到旱地之前吸收水。如果發(fā)生這種情況，那么盒子最終會在它的一側(cè)自然放置。

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1 / 2 ?蓋裝電子設(shè)備

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在決定將電子設(shè)備安裝在哪里時，我來回走動，最終我決定將電子設(shè)備安裝在容器的蓋子上 - 與從底部突出的探針相對。這樣，無論方向如何，電子設(shè)備都將垂直于地面/水，并且 PCB 將被懸掛晾干。所有這一切，讓我有最好的機(jī)會讓記事卡用它的 GPS 坐標(biāo)報告回家，這樣我就可以在河下游找到盒子了。

節(jié)能設(shè)計

監(jiān)測站將無限期地坐在溪流中對水質(zhì)進(jìn)行采樣，并將由太陽能供電。為確保它具有適當(dāng)?shù)碾娫?，我們將其接線僅在使用時啟用；這包括傳感器。

如前所述，Notecard 和 Notecarrier 組合為我們的節(jié)能設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。ESP32 應(yīng)按以下方式連接到 Notecard。

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| |                                    | |              /
| |        _________________           | |             |  O
| |       |O|             |O|          | |             |     (Notecarrier-AL)
| --> SDA-|*  ___________  *|-21       | |       VUSB>-|[]
----> SCL-|* | ESPRESSIF | *|-TX       | |  ----> BAT>-|[]
       14-|* |ESP32-WROOM| *|-RX       | |  |    MAIN>-|[]
       32-|* |CE         | *|-MI       | |  |     VIO>-|[]
       15-|* |           | *|-MO       | |  |          |[]
       33-|* |       ___ | *|-SCK      | |  |       V+-|[]
       27-|* |      |   || *|-A5    ---^-^--^----> GND-|[]
       12-|* |______|___|| *|-A4    |  | |  |       EN-|[]
       13-|*               *|-A3    |  | |  |      RST-|[]
      USB-|*               *|-A2    |  | |  |          |[]
-----> EN-|*         ----- *|-A1    |  | ---^----> SCL-|[]
| --> BAT-|*___      |   | *|-A0    |  -----^----> SDA-|[]
| |       |    |     ----- *|-GND <--       | --> ATTN-|[]
| |       |    |        _  *|-NC            | |  AUXEN-|[]
| |       |-----       |O| *|-3V            | |  AUXRX-|[]
| |       |      -----     *|-RST           | |  AUXTX-|[]
| |       |O___0_|___|_0___O|               | |   AUX1-|[]
| |                                         | |   AUX2-|[]
| |_________________________________________| |   AUX3-|[]
|_____________________________________________|   AUX4-|[]
                                                    RX-|[]
                                                    TX-|[]
                                                       |
                                                       |  O
                                                        \____________________

通過將 ESP32 的使EN能引腳連接到 Notecard 的注意ATTN引腳，Notecard 能夠關(guān)閉整個 MCU 并在主機(jī)指定的時間段內(nèi)自行進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)。這種簡單的技術(shù)非常有效，可以節(jié)省寶貴的電池電量。

同樣，每個傳感器的電源引腳都連接到 ESP32 上的數(shù)字 GPIO，因此它可以在采樣之前打開電源，然后在完成后再次關(guān)閉電源。

Fritzing 圖中共享了單個傳感器接線的示例。

測試

在將我的監(jiān)測站送到小溪之前，我進(jìn)行了一系列測試以確保它的適航性。

計劃

對河流最大和最明顯的威脅是城市廢物處理設(shè)施。確實(shí)，通過適當(dāng)?shù)奶幚?，水可以在返回環(huán)境之前得到合理的調(diào)節(jié)，但預(yù)算往往很緊張，培訓(xùn)不足，我們的自然資源被優(yōu)先用于其他項目。

我已經(jīng)建立了兩個水監(jiān)測站，我將從廢物處理設(shè)施的上游和下游取樣開始。這將使我能夠直接比較經(jīng)過處理過的水排放門的水。

如果我發(fā)現(xiàn)污染或生物危害狀況的證據(jù)（例如缺氧水平），我將向卡斯維爾市議會報告我的發(fā)現(xiàn)，并要求優(yōu)先解決我們當(dāng)?shù)睾恿骱蛯氋F資源的狀況。

數(shù)據(jù)

原始傳感器數(shù)據(jù)

我選擇從設(shè)備捕獲原始傳感器讀數(shù)，而不執(zhí)行任何計算或轉(zhuǎn)換。通過推遲轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)直到它可以被使用，我們將源信息保存為最初捕獲的信息。如果/當(dāng)發(fā)現(xiàn)更準(zhǔn)確或穩(wěn)健的計算時，可以以原始形式豐富和重新處理數(shù)據(jù)。

基于云的轉(zhuǎn)型

隨著原始數(shù)據(jù)進(jìn)入 Notehub 項目，JSONata 可以在將有意義的數(shù)據(jù)表示轉(zhuǎn)發(fā)到最終端點(diǎn)之前執(zhí)行大多數(shù)必要的轉(zhuǎn)換或計算。這樣，如果我選擇完全切換端點(diǎn)，則無需重新創(chuàng)建任何轉(zhuǎn)換邏輯。它還有一個額外的好處，即允許我修改/更改/調(diào)整計算，而無需向設(shè)備編寫和部署新固件。

示例：JSONata 濁度 NTU 計算

$square := function($n) {
  $n * $n
};
$mV_3V3_12_bit := function($adc_sample) {(
  $max_adc := 4095;
  $max_mV := 3300;
  ($adc_sample * $max_mV / $max_adc)
)};
$tbt_NTU := function($tbt_raw){(
  $tbt_V := ($mV_3V3_12_bit($tbt_raw) / 1000);
  ((-2572.2 * $square($tbt_V)) + (8700.5 * $tbt_V) - 4352.9)
)};

進(jìn)入 Notehub.io 路由，查看整個JSONata 轉(zhuǎn)換。

儀表板

為了能夠分享這個項目的結(jié)果，我需要一種可視化數(shù)據(jù)的好方法。如果無法以相關(guān)且有意義的方式表示數(shù)據(jù)，就很難進(jìn)行艱難的對話。儀表板在共享多個相關(guān)數(shù)據(jù)點(diǎn)方面非常有效，所以這是我選擇遵循的路徑。

我最近開始了解Ubidots，它完全符合要求。

Ubidots 儀表板

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單擊此處查看帶有實(shí)時數(shù)據(jù)的儀表板！

通過簡單地聲明一個 Ubidots“設(shè)備”（端點(diǎn)），我能夠從我的 Notehub.io 項目的路線中定位 Ubidots，并引導(dǎo)傳感器讀數(shù)流入 Ubidots。一旦傳感器讀數(shù)在我的 Ubidots 設(shè)備中，將它們排列到儀表板中是微不足道的。

有關(guān)從 Notehub.io 路由連接到 Ubidots 的完整步驟，您可以按照Blues Wireless 提供的 Ubidots 指南進(jìn)行操作。

總之

該項目能夠以有意義的方式捕獲和呈現(xiàn)數(shù)據(jù)，然后可用于將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給那些可以幫助資助或優(yōu)先考慮環(huán)境的健康、安全和長壽的人。

我希望你和我一起通過重建這個項目并測試和保護(hù)你當(dāng)?shù)氐?/font>水道來慶祝這個地球日！如果你對我如何改進(jìn)項目或獲得更準(zhǔn)確的讀數(shù)有任何意見或建議，請在下面發(fā)表評論 - 我檢查他們。此外，如果您在重新創(chuàng)建此項目時需要幫助，請隨時直接與我聯(lián)系并向我發(fā)送 DM。