Система мониторинга качества воды в реальном времени на Arduino с GPRS/GPS

Компоненты и материалы

Компонент	Количество
Arduino UNO (Genuino 101)	1
Модуль A7 GPRS/GPS	1
Датчики качества воды (температура, pH, растворённый кислород, мутность)	1 комплект

Инструменты

• Паяльная станция

Программное обеспечение и сервисы

• Microsoft Azure (хостинг веб-сайта и БД)
• Arduino IDE

О проекте

Введение

В сентябре 2016 года водоочистная станция была остановлена из-за попадания загрязнённой воды. Компания не смогла быстро локализовать источник загрязнения. Университетское задание: создать автоматизированную систему мониторинга качества воды для оперативного выявления источников загрязнения.

Общая схема системы

4 датчика подключены к Arduino Genuino 101. Все — с токовым выходом, требуют интерфейсных схем. Arduino периодически опрашивает датчики, получает GPS-координаты через модуль A7 и отправляет пакет данных (показания + координаты) по GPRS в облачную базу данных. Пользователи видят результаты на веб-карте.

Датчики

Три датчика с токовым выходом (Global Water): температура, pH, растворённый кислород (последний оказался неисправен). Четвёртый — датчик мутности с напряжённым выходом, пропорциональным концентрации взвешенных частиц.

Интерфейсинг датчиков и Arduino

Токовые выходы преобразуются в измеряемое напряжение через шунтирующие резисторы.

Модуль A7 GPRS/GPS

Выбран за низкую цену и совмещение GPRS+GPS в одном корпусе. Но есть нюансы:

• Комплектная GPS-антенна нерабочая — нужна отдельная.
• По умолчанию только 115200 бод UART. SoftwareSerial на этой скорости ненадёжен. Пришлось реализовать программную смену бодрейта при старте.
• Библиотеку для A7 писал сам, собирая из примеров для SIM900 и Adafruit GPS — работает, но код «сырой».

У модуля два управляющих пина: RESET и PWR_KEY. Для включения на PWR_KEY подаётся высокий уровень минимум 2 сек. RESET держится высоким (pull-up), для сброса — притягивается к земле. При старте делаю сброс, затем включение.

Источник питания

Токовые датчики требуют минимум 10В. Для автономности выбраны 2 Li-Ion элемента последовательно (7.4–8.4В). Buck-конвертер → 5В для Arduino и A7. Boost-конвертер → 11В для датчиков воды. Время автономной работы ограничено, но для прототипа приемлемо.

Плата и корпус

Сборка на макетной плате. Arduino и плата помещаются в использованный корпус с готовыми отверстиями под разъёмы датчиков. Разъёмы типа GX16 (авиационные) — надёжные и универсальные.

Веб-интерфейс

Самая трудоёмкая часть (недели работы с нуля). Пришлось выучить PHP, SQL, JavaScript, CSS, HTML. Хостинг на Azure (бесплатно для студентов), БД — ClearDB. Код в репозитории, нужно подставить свои учётные данные в username_password.php.

log.php принимает данные от Arduino и пишет в БД. Веб-страница показывает Google Maps с маркерами в точках замеров. Остальные PHP-скрипты — утилиты для выборки данных. Производительность низкая, код требует рефакторинга.

Код

Репозиторий: Water-Quality-Monitoring-System. В папке /Website — веб-часть, в /Arduino — скетчи и библиотека для A7.

Схемы

Полная схема системы в репозитории.