IoT-система мониторинга качества воды на Arduino с Bluetooth

Компоненты и материалы

Arduino UNO	×1
Провода-перемычки (Male/Female)	×1
Bluetooth-модуль HC-05	×1
RGB-светодиод (общий катод)	×1
Резистор 330 Ом	×3
Потенциометр (для контраста LCD)	×1
RGB LCD Shield 16x2	×1
Резистор 1 кОм	×1

Инструменты

• Обезжириватель и кусачки для проводов (26–14 AWG)

Программное обеспечение и сервисы

• Arduino IDE
• Приложение Ardutooth (для приема данных по Bluetooth)

О проекте

Вода — жизненно важный ресурс. Мы должны быть уверены в её качестве.

Что такое TDS?

TDS (Total Dissolved Solids) — общее количество растворенных твердых веществ в воде, в ppm (частей на миллион). Рассчитывается по электрической проводимости: чем выше проводимость, тем выше TDS.

Ориентировочные значения:

• Дистиллированная вода: 80–150 ppm
• Водопроводная: 250–350 ppm
• Грунтовые воды: 500–1000 ppm
• Морская вода: ~30 000 ppm

ВОЗ рекомендует TDS питьевой воды ниже 300 ppm. Ниже 100 ppm — вода лишена минералов. Выше 300 — слишком «жесткая».

Обычно используют TDS-перо, но его нельзя интегрировать с Arduino. Есть специальные TDS-метры с интерфейсом, но я решил обойтись без них.

Схема подключения

Arduino

• 5V → одна шина питания на макетке
• GND → вторая шина
• Резистор 1 кОм: один конец на GND, второй на макетку. Аналоговый вход A0 к резистору. Провод от резистора и провод от 5V — свободные концы к крокодилам (электродам в воде).

LCD-дисплей

• VSS → GND
• VDD → 5V
• V0 → средний вывод потенциометра (края потенциометра на 5V и GND)
• RS → D7, R/W → GND, E → D8
• D4–D7 → D10–D13

Bluetooth HC-05

• VCC → 5V, GND → GND
• TX → D3 (Arduino RX), RX → D2 (Arduino TX)

RGB-светодиод

• Общий катод (самый длинный вывод) → GND
• Красный (справа от катода) → PWM D9 через 330 Ом
• Зеленый (слева) → PWM D6 через 330 Ом
• Синий (крайний левый) → PWM D5 через 330 Ом

Вывод формулы расчета сопротивления

Используем закон Ома: V = I·R. Два резистора последовательно: R₁ = 1000 Ом (на плате), R₂ — сопротивление воды между электродами. Ток через АЦП пренебрежимо мал, значит ток одинаков. Напряжение на R₁ измеряется АЦП (V₁). Общее напряжение 5В = V₁ + V₂. Отсюда:

V₂ = 5 - V₁
V₂ / V₁ = R₂ / R₁
R₂ = R₁ * (5 - V₁) / V₁

Переменная buffer = (5 - V₁) / V₁, тогда R₂ = buffer * R₁.

Принцип работы

1. Измеряем сопротивление воды R₂.
2. Вычисляем удельное сопротивление: ρ = R₂ * A / L (A — площадь сечения электродов, L — расстояние между ними).
3. Проводимость: σ = 1/ρ (См/м).
4. TDS = σ * 7000 (эмпирический коэффициент перевода в ppm).

R = ρ * L / A  →  ρ = R * A / L
c = 1 / ρ
TDS = c * 7000

Библиотеки

• LiquidCrystal: ссылка
• SoftwareSerial: ссылка

Установка: Sketch → Include Library → Manage Libraries → поиск по названию.

Код

Код мониторинга качества воды

#include <SoftwareSerial.h>
#include <LiquidCrystal.h>

SoftwareSerial BTserial(3, 2); // RX, TX для HC-05

float reads; int pin = A0;
float vOut = 0, vIn = 5, R1 = 1000, R2 = 0, buffer = 0;
float TDS, R = 0, r = 0, L = 0.06, A = 0.000154;
float C = 0, Cm = 0;
int rPin = 9, bPin = 5, gPin = 6;
int rVal = 255, bVal = 255, gVal = 255;

LiquidCrystal lcd(7, 8, 10, 11, 12, 13);

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  BTserial.begin(9600);
  lcd.begin(16, 2);
  pinMode(rPin, OUTPUT);
  pinMode(bPin, OUTPUT);
  pinMode(gPin, OUTPUT);
  pinMode(pin, INPUT);
  lcd.print("Conductivity: ");
}

void loop() {
  reads = analogRead(A0);
  vOut = reads * 5.0 / 1023.0;
  Serial.println(reads);
  buffer = (vIn / vOut) - 1;
  R2 = R1 * buffer;
  Serial.println(R2);
  delay(500);

  r = R2 * A / L;       // удельное сопротивление
  C = 1 / r;            // проводимость См/м
  Cm = C * 10;          // мСм/см
  TDS = Cm * 700;       // ppm

  lcd.setCursor(0, 1);
  lcd.print(C);

  // RGB-индикация по уровню сигнала
  if (reads < 600) {
    if (reads <= 300) setColor(255, 0, 255);
    else if (reads > 200) setColor(200, 0, 255);
  } else {
    if (reads <= 900) setColor(0, 0, 255);
    else if (reads > 700) setColor(0, 255, 255);
  }

  // Отправка в Ardutooth: проводимость, TDS
  BTserial.print(C); BTserial.print(",");
  BTserial.print(TDS); BTserial.print(";");
  delay(500);
}

void setColor(int red, int green, int blue) {
  analogWrite(rPin, 255 - red);
  analogWrite(gPin, 255 - green);
  analogWrite(bPin, 255 - blue);
}

Корпус и монтаж

Использовал старую пробирку: проделал отверстия на концах, вставил провода, зафиксировал молоточкой.

Схемы