Περίληψη
Η εργασία αυτή προτείνει ένα σύστημα ελέγχου των παραμέτρων ποιότητας του νερού, με το Arduino Mega ως βασική πλατφόρμα ανάπτυξης και τους αισθητήρες θερμοκρασίας, pH, θολότητας (turbidity), ολικών διαλυμένων στερεών (TDS), και διαλυμένου οξυγόνου (Dissolved Oxygen), για την καταμέτρηση των παραμέτρων του νερού. Οι μετρήσεις εμφανίζονται στη σειριακή οθόνη του υπολογιστή, και ταυτόχρονα αποθηκεύονται σε μία κάρτα μνήμης miniSD σε αρχείο δεδομένων τύπου CSV. Με αυτό τον τρόπο δημιουργούνται διαφορετικά αρχεία καταγραφής, τα οποία στη συνέχεια μπορούν να συγκριθούν και να αναλυθούν στατιστικά για την εξαγωγή συμπερασμάτων. Επιπλέον, oι μετρήσεις συγκρίνονται και ελέγχονται σύμφωνα με βασικές αναφορές τιμών, και μια έγχρωμη οθόνη LCD εμφανίζει την ένδειξη της ποιότητας του ελεγχόμενο δείγματος νερού, διαβαθμισμένη σε τρεις κλίμακες: 1. Good Quality (πράσινο χρώμα), 2. Medium Quality (πορτοκαλί χρώμα) και 3. Bad Quality (κόκκινο χρώμα).
Παρακολουθήστε το Video επίδειξης λειτουργίας του project
Μεθοδολογία
Η μεθοδολογία που χρησιμοποιούμε βασίζεται στις ιδιότητες του νερού και στη μέτρηση βασικών φυσικοχημικών παραγόντων που επηρεάζουν την ποιότητα του νερού όπως η θερμοκρασία, το pH, τα ολικά διαλυμένα στερεά σωματίδια και η αγωγιμότητα, το επίπεδο του διαλυμένου οξυγόνου στο νερό και τη θολότητα (διαύγεια). Η θερμοκρασία είναι ένας από τους κύριους παράγοντες που επηρεάζουν τη διαλυτότητα του οξυγόνου στο νερό. Έτσι, όταν αυξάνεται η θερμοκρασία προκαλείται μείωση του διαλυμένου οξυγόνου, μεταβάλλοντας το οργανικό φορτίο του ύδατος & των φωτοσυνθετικών οργανισμών, με συνέπεια τον ευτροφισμό.
Το TDS είναι μια συντομογραφία του Ολικά Διαλυμένα Στερεά (Total Dissolved Solids) σε υγρό, συμπεριλαμβανομένων οργανικών και ανόργανων ουσιών σε μοριακή, ιοντική ή μικροκοκκώδη αιωρούμενη μορφή. Το TDS εκφράζεται γενικά σε μέρη ανά εκατομμύριο (ppm) ή σε χιλιοστόγραμμα ανά λίτρο (mg/L). Το TDS σχετίζεται άμεσα με την ποιότητα του νερού, δηλαδή όσο χαμηλότερη είναι η τιμή TDS, τόσο πιο καθαρό είναι το νερό. Για παράδειγμα, το καθαρισμένο νερό με αντίστροφη όσμωση θα έχει TDS μεταξύ 0 και 10, ενώ το νερό της βρύσης θα κυμαίνεται μεταξύ 20 και 300, ανάλογα με την τοποθεσία (Σχήμα 1).
Εάν το νερό δεν περιέχει διαλυτά υλικά και είναι καθαρό, δεν θα μεταφέρει φορτίο και, επομένως, θα έχει τιμή 0 ppm. Αντίθετα, εάν το νερό είναι γεμάτο με διαλυμένα υλικά, θα μεταφέρει φορτίο, με το ποσό ppm που προκύπτει να είναι ανάλογο με τον αριθμό των διαλυμένων στερεών. Αυτό συμβαίνει επειδή όλα τα διαλυμένα στερεά έχουν ηλεκτρικό φορτίο, το οποίο επιτρέπει την αγωγή του ηλεκτρικού φορτίου μεταξύ των ηλεκτροδίων.
Ο όρος PH είναι ένα ποσοτικό μέτρο της οξύτητας ή της βασικότητας υδατικών ή άλλων υγρών διαλυμάτων. Ο όρος, που χρησιμοποιείται ευρέως στη χημεία, τη βιολογία και τη γεωπονία, μεταφράζει τις τιμές της συγκέντρωσης του ιόντος υδρογόνου που συνήθως κυμαίνεται μεταξύ περίπου 1 και 10−14 ισοδύναμα γραμμαρίων ανά λίτρο – σε αριθμούς μεταξύ 0 και 14. Σε καθαρό νερό, το οποίο είναι ουδέτερο (ούτε όξινο ούτε αλκαλικό), η συγκέντρωση του ιόντος υδρογόνου είναι 10−7 γραμμάρια ισοδύναμα ανά λίτρο, που αντιστοιχεί σε pH 7.
Θολότητα (Turbidity) είναι θαμπάδα ενός υγρού που προκαλείται από μεγάλους αριθμούς μεμονωμένων σωματιδίων που είναι γενικά αόρατα με γυμνό μάτι, παρόμοια με τον καπνό στον αέρα. Η μέτρηση της θολότητας αποτελεί βασικό έλεγχο της ποιότητας του νερού. Η θολότητα προκαλείται από σωματίδια αιωρούμενα ή διαλυμένα στο νερό που διασκορπίζουν το φως κάνοντας το νερό να φαίνεται θολό (Εικόνα 2). Τα σωματίδια μπορεί να περιλαμβάνουν ίζημα, ιδιαίτερα άργιλο και λάσπη, λεπτή οργανική και ανόργανη ύλη, διαλυτές έγχρωμες οργανικές ενώσεις, φύκια και άλλους μικροσκοπικούς οργανισμούς. Ο αισθητήρας λειτουργεί με βάση την αρχή ότι όταν το φως περνά μέσα από ένα δείγμα νερού, η ποσότητα φωτός που μεταδίδεται μέσω του δείγματος εξαρτάται από την ποσότητα σωματιδίων στο νερό. Καθώς αυξάνεται η στάθμη των σωματιδίων, η ποσότητα του μεταδιδόμενου φωτός μειώνεται. Ο αισθητήρας θολότητας μετρά την ποσότητα του μεταδιδόμενου φωτός για να προσδιορίσει τη θολότητα του νερού.
Το διαλυμένο οξυγόνο αναφέρεται στο επίπεδο του ελεύθερου, μη σύνθετου οξυγόνου που υπάρχει στο νερό ή σε οποιοδήποτε άλλο υγρό. Διαλυμένο οξυγόνο είναι η παρουσία των ελεύθερων μορίων Ο2 μέσα στο νερό. Το δεσμευμένο μόριο οξυγόνου στο νερό (H2O) βρίσκεται σε μια ένωση και δεν υπολογίζεται στη μέτρηση. Μπορεί κανείς να φανταστεί ότι τα μόρια ελεύθερου οξυγόνου διαλύονται στο νερό με τον ίδιο τρόπο που το αλάτι ή η ζάχαρη όταν ανακατεύονται. Το διαλυμένο οξυγόνο εισέρχεται στο νερό μέσω του αέρα ή ως φυτικό υποπροϊόν της φωτοσύνθεσης. Από τον αέρα, το οξυγόνο μπορεί να διαχέεται αργά στην επιφάνεια του νερού από την περιβάλλουσα ατμόσφαιρα ή να αναμιχθεί γρήγορα μέσω του αερισμού. Το διαλυμένο οξυγόνο παράγεται επίσης ως απόβλητο προϊόν φωτοσύνθεσης από φυτοπλαγκτόν, φύκια, φύκια και άλλα υδρόβια φυτά (Εικόνα 3).
Ο αισθητήρας διαλυμένου οξυγόνου αποτελείται από δύο ηλεκτρόδια: μια άνοδο και μια κάθοδο. Και τα δύο αυτά ηλεκτρόδια είναι βυθισμένα σε ηλεκτρολύτες (μέσα στο σώμα του αισθητήρα). Μια διαπερατή από οξυγόνο μεμβράνη διαχωρίζει την άνοδο και την κάθοδο από το μετρούμενο νερό. Η διαπερατή μεμβράνη επιτρέπει στο οξυγόνο από το νερό του δείγματος να διαχέεται στον αισθητήρα, όπου μειώνεται στην κάθοδο. Αυτή η χημική αντίδραση παράγει ένα ηλεκτρικό σήμα, το οποίο ταξιδεύει από την κάθοδο στην άνοδο και στη συνέχεια στο όργανο μέτρησης του διαλυμένου οξυγόνου. Η κατανάλωση οξυγόνου στην κάθοδο δημιουργεί μια διαφορά πίεσης σε όλη τη μεμβράνη που ποικίλλει ανάλογα με τη μερική πίεση του οξυγόνου στο δείγμα. Επομένως, καθώς αυξάνεται η συγκέντρωση οξυγόνου, η μερική πίεση και ο ρυθμός διάχυσης αυξάνονται επίσης και το ρεύμα προς το όργανο αυξάνεται αναλογικά.
Κατασκευή
Σε αυτή την εργασία χρησιμοποιούμε το Arduino Mega ως βασική πλατφόρμα ανάπτυξης, και τους αισθητήρες θερμοκρασίας DS18B20 (αδιάβροχος), θολότητας (turbidity sensor), TDS sensor, pH και διαλυμένου οξυγόνου (Dissolved Oxygen), για την καταμέτρηση των παραμέτρων του νερού (Σχήμα 3). Οι αισθητήρες pH και διαλυμένου οξυγόνου έχουν αρχικά βαθμονομηθεί (calibration) και δοκιμαστεί με ειδικό πρόγραμμα, ώστε να μην παρουσιάζουν αποκλίνουσες μετρήσεις. Οι μετρήσεις εμφανίζονται στη σειριακή οθόνη του υπολογιστή, και ταυτόχρονα αποθηκεύονται σε μία κάρτα μνήμης miniSD σε αρχείο δεδομένων τύπου CSV. Με αυτό τον τρόπο δημιουργούνται διαφορετικά αρχεία καταγραφής, τα οποία στη συνέχεια μπορούν να συγκριθούν και να αναλυθούν στατιστικά για την εξαγωγή συμπερασμάτων.
Επιπλέον, oι μετρήσεις συγκρίνονται και ελέγχονται σύμφωνα με βασικές αναφορές τιμών, και μια έγχρωμη οθόνη LCD εμφανίζει την ένδειξη της ποιότητας του ελεγχόμενο δείγματος νερού, διαβαθισμένη σε τρεις κλίμακες: 1. Good Quality (πράσινο χρώμα), 2. Medium Quality (πορτοκαλί χρώμα) και 3. Bad Quality (κόκκινο χρώμα).
Το κύκλωμα οδηγείται από ένα πρόγραμμα που δημιούργησαν οι μαθητές, με σκοπό να συλλέγει τα δεδομένα από τους αισθητήρες και να τα αποθηκεύει σε αρχείο δεδομένων τύπου CSV στην κάρτα μνήμης.
https://github.com/gnicolakakis/WQArT.git
Πρόταση
Παρακάτω παραθέτουμε τη λίστα και το κόστος όλων των υλικών που χρησιμοποιήθηκαν στην κατασκευή αυτή. Το κόστος αγοράς όλων των υλικών είναι κάτι λιγότρο απο 300 €. Εμείς χρησιμοποιησαμε τα ήδη υπάρχοντα υλικά Arduino Mega, Αισθητήρας pH, οθόνη 16×2 LCD και αγοράσαμε τα υπόλοιπα με κόστος περίπου 200 €. Θα μπορούσαμε να εξοικονομήσουμε αρκετά χρήματα αν δεν επιλέγαμε τη χρήση του αισθητήρα διαλυμένου οξυγόνου. Τα αποτελέσματα όμςσ που μας δίνει η χρήση του ειδικά στις μετρήσεις καθαρότητας μη πόσιμου νερού (νερό θάλασσας, λίμνης ή ποταμού) είναι αρκετά σημαντικά, και για το λόγο αυτό επιλέξαμε την προσθήκη του στην εργασίας μας,
Μια εναλλακτική αρκετά φθηνότερη πρόταση κατασκευής είναι η χρήση Arduino Uno αντί Arduino Mega, και η παράλειψη του πολύ ακριβού αισθητήρα διαλυμένου οξυγόνου. Στην περίπτωση αυτή το κόστος όλων των υλικών είναι περίπου 110 €.
| Υλικά | Κόστος (€) |
| Arduino Mega 2560 Rev3 | 40 |
| Breakout Board for Micro SD Card Mini | 2 |
| Gravity Αναλογικός Αισθητήρας pH για Arduino | 40 |
| Basic 16×2 Character LCD – RGB 3.3V/5V (I2C Protocol) | 10 |
| Gravity Αναλογικός Αισθητήρας Διαλυμένων Στερεών Σωματιδίων | 12 |
| Gravity Κιτ Αισθητήρα Θερμοκρασία DS18B20 Αδιάβροχος | 8 |
| GRAVITY: ANALOG TURBIDITY SENSOR FOR ARDUINO (SEN0189) | 13 |
| Gravity Αναλογικός Αισθητήρας Διαλυμένου Οξυγόνου | 170 |