Η ομάδα U-DATinos του 2ου Πρότυπου Γυμνασίου Αθηνών (το U προέρχεται από την λέξη Ubiquitous, το DAT από την λέξη Data, και το όνομα της ομάδας U-DATinos παραπέμπει στην ελληνική λέξη ΥΔΑΤΙΝΟΣ), ανέλαβε να σχεδιάσει και να θέσει σε λειτουργία μια αυτοματοποιημένη συσκευή η οποία βασίζεται στην τεχνολογία Internet of Things (IoT) για την παρακολούθηση των φυσικοχημικών μεταβλητών μιας λίμνης ή ενός ποταμού και τον διαρκή έλεγχο της ποιότητας του νερού. Το έργο είχε ως σκοπό την κινητοποίηση, την εμπλοκή και την ανάληψη της ευθύνης της μάθησης από τους ίδιους τους μαθητές, ώστε να αναζητήσουν και να αποκτήσουν γνώσεις, δεξιότητες και πρακτικές μέσω της σχεδιαστικής πρόκλησης και την άσκησή τους σε τεχνικές επίλυσης προβλήματος.

Το υδάτινο περιβάλλον διαδραματίζει έναν εξόχως σημαντικό ρόλο για την ύπαρξη της ζωής στη Γη. Ωστόσο, τα υδατικά οικοσυστήματα κινδυνεύουν άμεσα από την ολοένα αυξανόμενη ρύπανση, την κλιματική αλλαγή και την απώλεια της βιοποικιλότητας, με αποτέλεσμα να καθίσταται κάτι περισσότερο από απαραίτητη η διαρκής, όσο και λεπτομερής παρακολούθησή τους. Μέχρι πρότινος ο έλεγχος της ποιότητας των υδάτων αντιμετωπιζόταν με περιοδική δειγματοληψία, εφόσον αυτό ήταν εφικτό λόγω καιρικών ή άλλων συνθηκών. Τις τελευταίες δεκαετίες «το πρόβλημα της συνεχούς παρακολούθησης της ποιότητας του νερού εντείνεται από την αύξηση του πληθυσμού, την αστικοποίηση και τον εκσυγχρονισμό των υποδομών τα οποία δημιουργούν προβλήματα απόρριψης λυμάτων και μόλυνσης ιδίως των επιφανειακών υδάτων» (Bhateria & Jain, 2016), και η ανάγκη συνεχούς και απρόσκοπτης μέτρησης κρίνεται επιτακτική.

Η ανάπτυξη ενός αυτοματοποιημένου συστήματος από μαθητές, που απαντά στην πρόκληση της παρακολούθησης της ποιότητας των υδάτων, είναι εφικτή με την αξιοποίηση υλικών εύκολων στη χρήση και σχετικά χαμηλού κόστους. Για το σκοπό αυτό αξιοποιήθηκε η ψηφιακή πλατφόρμα Arduino στην οποία συνδέθηκαν αισθητήρες θερμοκρασίας (Waterproof DS18B20 Digital Temperature Sensor), pH (Gravity: Analog pH Sensor/Meter Kit V2), διαλυμένου οξυγόνου (Gravity: Analog Dissolved Oxygen Sensor / Meter Kit), TDS (Gravity: Analog TDS Sensor/Meter), και ηλεκτρικής αγωγιμότητας (Gravity: Analog Electrical Conductivity Sensor /Meter V2). Για την σύνδεση της συσκευής με το δίκτυο χρησιμοποιήθηκε ασπίδα GSM/GPRS/GPSShield. Τέλος, για τη συγκέντρωση, αποθήκευση και ανάλυση των ζωντανών ροών δεδομένων στο υπολογιστικό νέφος επιλέχθηκε η πλατφόρμα ThingSpeak.

Πραγματοποιήθηκαν δοκιμές με διάφορους αισθητήρες

Το κύριο σύστημα συναρμολογήθηκε τμηματικά, με κάθε ομάδα μαθητών να αναλαμβάνει την σύνδεση, τον προγραμματισμό και τη βαθμονόμηση ενός αισθητήρα, ενώ μια ομάδα ανέλαβε τη σύνδεση και την λειτουργία της ασπίδας GSM/GPRS/GPS Shield (B)  (τα σχετικά σχεδιαγράμματα και ο κώδικας λειτουργίας έχουν δημοσιευτεί στο https://github.com/tziortzioti/waterQualitySensing). Οι εργασίες πραγματοποιήθηκαν στο πλαίσιο του ομίλου δεξιοτήτων, στον οποίο συμμετείχαν συνολικά 19 μαθητές.

(Φωτογραφίες και βίντεο που τεκμηριώνουν την εργασία των μαθητών σε όλα τα στάδια της διαδικασίας συναρμολόγησης και λειτουργίας του σταθμού, βρίσκονται στη διάθεση της επιτροπής).

Στο τελικό στάδιο συναρμολόγησης, και αφού προηγήθηκε ο προγραμματισμός των επιμέρους συστημάτων, οι μαθητές υλοποίησαν την τελική σύνθεση του συστήματος, όπως φαίνεται στο παραπάνω διάγραμμα αλλά και στην φωτογραφία που ακολουθεί.

Διάγραμμα συναρμολόγησης συνολικού συστήματος

Σταθμός ΙοΤ μέτρησης ποιότητας υδάτων

Ο σταθμός στη τελική του μορφή τοποθετήθηκε σε στεγανό κουτί, ενώ η τροφοδοσία του πραγματοποιήθηκε με την χρήση ταμιευτήρα ενέργειας (powerbank) για καλύτερη φορητότητα.

Για την καταγραφή και οπτικοποίηση των δεδομένων οι μαθητές αρχικά δημιούργησαν λογαριασμό στο δίκτυο της MathWorks. Κατόπιν, επισκεπτόμενοι την σελίδα του ThingSpeak και ακολουθώντας απλά βήματα δημιούργησαν τις συνθήκες εκείνες που επιτρέπουν αφενός την αποστολή και αφετέρου την αποθήκευση και προβολή της σχετικής πληροφορίας.

Η ομαδοποίηση των τιμών έγινε στα κανάλια που δημιουργήθηκαν ειδικά για τον αυτοματοποιημένο σταθμό. Στη συνέχεια, οι μαθητές όρισαν τις σχετικές ρυθμίσεις όπως τον τίτλο, την περιγραφή, το βαθμό πρόσβασης και ενεργοποίησαν τα πεδία ανάλογα με τους αισθητήρες της συσκευής.

ThingSpeak σελίδα ρυθμίσεων καναλιού

Ακολούθησε η διαδικασία οπτικοποίησης των δεδομένων που έφθαναν από το σύστημα, προσθέτοντας κατάλληλες απεικονίσεις σε μορφή γραφήματος, για κάθε ένα αισθητήρα.

ThingSpeak σελίδα απεικόνισης γραφημάτων

Η προσπάθεια ευαισθητοποίησης της σχολικής κοινότητας σε θέματα προστασίας της ποιότητας των υδάτων εκτείνεται και πέραν του πλαισίου του διαγωνισμού καθώς μέσα από κατάλληλες εκπαιδευτικές δραστηριότητες STEM, στις οποίες εφαρμόζονται οι γνώσεις των φυσικών επιστημών, της τεχνολογίας, της μηχανικής και των μαθηματικών, οι μαθητές στοχεύουν: α) στη γνώση και κατανόηση των βασικών φυσικών και χημικών παραμέτρων του νερού υδατικών οικοσυστημάτων, και β) στην ικανότητα συσχετισμού, ερμηνείας και εκτίμησης των μεταβολών των φυσικών και χημικών παραμέτρων του νερού.

Τιμές που κατέγραψε η 1η έκδοση της συσκευής στην λίμνη Κουμουνδούρου

Μέσα από τις δραστηριότητες αυτές, οι μαθητές αναμένεται να καλλιεργήσουν γνώσεις και δεξιότητες στα μαθηματικά (συστήματα εξισώσεων, καταγραφή δεδομένων, σχεδίαση γραφικών παραστάσεων, στατιστική ανάλυση), τις φυσικές επιστήμες (συσχετισμός φυσικοχημικών παραμέτρων, μετρήσεις και εκτίμηση σφάλματος, ηλεκτρικά κυκλώματα), την εφαρμοσμένη μηχανική (σχεδιασμός συσκευής μέτρησης, βαθμονόμηση, χρήση του εξοπλισμού) και την τεχνολογία (προγραμματισμός της ψηφιακής πλατφόρμας).

Βιβλιογραφία

Arduino. (2021, 05 14). What is Arduino? Ανάκτηση από Arduino: https://www.arduino.cc/en/Guide/Introduction

Bhateria, R., & Jain, D. (2016). Water quality assessment of lake water: a review. Sustainable Water Resources Management, 161-173.

Bhateria, R., & Jain, D. (2016). Water quality assessment of lake water: a review. Sustainable Water Resources Management, 161-173.

Cactus.io. (2021, 06 10). What is an Arduino Shield. Ανάκτηση από Cactus.io: http://cactus.io/tutorials/arduino/what-is-an-arduino-shield

DFRobot. (2020, 11 21). Gravity: Analog Dissolved Oxygen Sensor / Meter Kit For Arduino. Ανάκτηση από DFRobot: https://www.dfrobot.com/product-1628.html

DFRobot. (2020, 10 25). Waterproof DS18B20 Digital Temperature Sensor (SKU:DFR0198). Ανάκτηση από DFRobot Wiki: https://wiki.dfrobot.com/Waterproof_DS18B20_Digital_Temperature_Sensor__SKU_DFR0198_

DFRobot. (2021, 03 02). Gravity: Analog Electrical Conductivity Sensor /Meter V2. Ανάκτηση από DFRobot: https://www.dfrobot.com/product-1123.html

DFRobot. (2021, 02 22). Gravity: Analog pH Sensor/Meter Kit V2. Ανάκτηση από DFRobot: https://www.dfrobot.com/product-1782.html

DFRobot. (2021, 02 08). Gravity: Analog TDS Sensor/Meter for Arduino. Ανάκτηση από DFRobot: https://www.dfrobot.com/product-1662.html

Tziortzioti, C., Amaxilatis, D., Mavrommati, I., & Chatzigiannakis, I. (2019). IoT sensors in sea water environment: Ahoy! Experiences from a short summer trial. Electronic Notes in Theoretical Computer Science, 117-130.

Waveshare. (2021, 04 22). GSM/GPRS/GPS Shield (B). Ανάκτηση από https://www.waveshare.com/gsm-gprs-gps-shield-b.htm

Waveshare inc. (2021, 05 22). GSM/GPRS/GPS Shield (B). Ανάκτηση από Waveshare: https://www.waveshare.com/gsm-gprs-gps-shield-b.htm