UnifiedWater v1: полный набор датчиков качества воды на Arduino MKR GSM

Компоненты и материалы

• Arduino MKR GSM 1400 — 1 шт.
• Кольцо NeoPixel 16 RGB LED (WS2812) — 1 шт.
• Модуль температуры и влажности GY-21 (HTU21D/Si7021) — 1 шт.
• Датчик мутности воды (фототранзисторный выход) — 1 шт.
• Водонепроницаемый датчик температуры DS18B20 — 1 шт.
• Набор пH-метра DFRobot Gravity (аналоговый, спицевидный зонд) — 1 шт.
• Тактильная кнопка 12 мм — 1 шт.
• Перемычки, резистор 220 Ом, паяльные принадлежности

Инструменты

• Паяльник

Облачные сервисы

• Arduino Web Editor
• SORACOM Air (IoT-соединение)
• SORACOM Harvest (сбор данных)
• SORACOM Lagoon (визуализация дашбордов)

Обзор проекта

UnifiedWater — доступное и масштабируемое устройство для мониторинга загрязнения рек и озер. Реки — главные переносчики загрязнений в океан. Данные критически важны для борьбы с загрязнением. Устройство существует в двух режимах:

• Режим 1 (портативный): пользователь нажимает кнопку, опускает датчики в воду на 30 секунд — данные уходят в облако.
• Режим 2 (стационарный): устройство само периодически замеряет и отправляет данные.

Несколько устройств могут работать вместе, сливая данные в общий дашборд. Измеряются: температура воды, pH, мутность, атмосферная температура и влажность. Геолокация и время берутся из GSM/GPRS.

Функциональность

Фронтенд (физическое устройство)

На базе MKR GSM — надежно, просто, имеет GSM-модуль для Soracom. Алгоритм замера:

1. 6 секунд прогрев датчиков в воде.
2. 16 измерений мутности и pH (усреднение), температура воды/воздуха/влажность — одно измерение в конце.
3. LED-кольцо индицирует процесс: многоцветное — инициализация/обработка, мигающее красное — предупреждение (нужно опустить в воду или ошибка), прогрессирующее синее/зеленое — идет замер.
4. Формирование JSON-пейлоада и отправка на Soracom Harvest через HTTP POST.
5. Уход в глубокий сон до следующего триггера (кнопка или таймер).

Пример JSON:

{
 "Latitude": 53.3474617,
 "Longitude": -6.2514529,
 "waterpH": 7.30,
 "waterTurbidity": 94,
 "waterTemp": 12.10,
 "atmoTemp": 14.50,
 "atmoHum": 82,
 "deviceID": 1,
 "deviceName": "device1",
 "epoch": 1559392636,
 "mode": 2
}

Бэкенд (Soracom)

Данные визуализируются в Soracom Lagoon: карта с точками замеров (цвет = уровень загрязнения), графики, таблицы. Настроены email-оповещения при аномальных pH или мутности.

Масштабируемость: дешевизна и простота позволяют развернуть флот устройств. Регистрация в Soracom упрощается через Soracom Krypton. Персональные дашборды для каждой организации/пользователя, в будущем — совместное использование.

Преимущества

• Низкие эксплуатационные расходы (автономность).
• Легкое масштабирование (один или десятки устройств).
• Быстрый сбор и визуализация в реальном времени.
• Доступ к данным из любой точки через веб-дашборд.

Сборка устройства

Шаг 1: Аппаратура

Список выше. Все сенсоры паяются к MKR GSM (схемы ниже).

Шаг 2: Схема подключения

После пайки подключаются SIM-карта, GSM-антенна и питание (LiPo, пауэрбанк или батареи на VIN). Устройство спит между замерами для экономии энергии.

Шаг 3: Структура кода

Четыре основных модуля:

• Collect Sensor Data — 6 сек прогрев, 16 циклов опроса мутности/pH с индикацией на кольце, единичные замеры точных датчиков.
• Get Time and Date — время из RTC (синхронизировано с GSM), геолокация из GPRS.
• Process Data — усреднение, формирование JSON-строки.
• Send Data — HTTP POST на harvest.soracom.io, вывод ответа в Serial.

Шаг 4: Настройка переменных перед загрузкой

• mode — 1 (кнопка) или 2 (периодический).
• deviceID, deviceName — уникальные идентификаторы для каждого устройства в флоте.
• sleepTime — интервал сна (в коде 5 сек для тестов, в поле — например, 15 мин).
• proDebug — true для отладки (требует открытый Serial Monitor), false для автономной работы.

Шаг 5: Загрузка кода и первый запуск

Подключите MKR GSM к компьютеру, загрузите скетч (mode=1). Опустите датчики в воду, нажмите кнопку, дождитесь отправки. Повторите несколько раз для наполнения Soracom Air.

Шаг 6: Настройка Soracom (Аккаунт, SIM, Groups, Harvest)

Подробная пошаговая инструкция со скриншотами в оригинале. Основные этапы:

1. Регистрация на soracom.io, подтверждение email, вход.
2. Регистрация SIM-карты (ввод ICCID и AuthKey).
3. Создание Group, включение Soracom Air и Harvest в группе.
4. Настройка Harvest: включение, хранение данных.

Шаг 7: Настройка Lagoon (Дашборды и алерты)

Создание дашборда в Lagoon: карта, графики, таблица. Добавление виджетов алертов на email при выходе pH/мутности за нормы. Множество скриншотов в оригинале.

Калибровка датчиков

• pH: поместите зонд в буфельный раствор pH 7, подождите 5 мин, крутите потенциометр на модуле до вывода 7.0 в Serial.
• Мутность: в чистой воде измерьте напряжение на аналоговом пине, запишите в переменную calibration в sensors.h (если показания >100%).

Библиотеки

• ArduinoLowPower
• Adafruit_NeoPixel
• MKRGSM
• Wire, OneWire, DallasTemperature, RTCZero

Корпус

Автор изготовил портативный корпус, удобный для обоих режимов. Фото сборки в оригинале.

Итог

Устройство готово к полевым испытаниям. Проверьте местную реку/озеро, следите за данными в дашборде. Данные — новая валюта, коллективный мониторинг поможет осознать проблему загрязнения и действовать сегодня.

Код и схемы

Репозиторий: github.com/Andrei-Florian/UnifiedWater-v1