Su Kalite İzleme için Low-cost Gömülü Iot Cihazları Tasarlamak

Giriş: Neden Low-Cost IoT Water Quality İzleme Maddeleri

Temiz suya erişim temel bir insan doğru, ancak dünya çapında milyonlarca insan yetersiz olan su kaynaklarına güveniyor. Geleneksel su kalitesi test yöntemleri - bu resmi ele almak için manuel alan ölçümleri veya pahalı otomatik istasyonlar - sık maliyet-prohibitive, iş yoğun ve çok yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaşlayın. düşük maliyetli bir şekilde depolanan Nesnelerin İnterneti (IoT) cihazlarının bu resmi değiştiriyor. Uygun olmayan sensörleri birleştirerek, mikro kontrol cihazlarının bir araya getirilmesi ve kablosuz iletişim modülleri, mikro kontrol cihazlarının birleşimi, ve kablosuz iletişim modüllerin birleşimi, şimdi, pH, sürekli olarak kritik parametrelerin sürekli olarak ölçülmesi, oksijenin azaltılması gibi pratik.

Bu makale, bu tür cihazları tasarlamaya ayrıntılı, pratik bir kılavuz sunar.Demokrat seçimi, güç yönetimi, veri işleme ve dağıtım stratejileri, güvenilirlikten ödün vermeden maliyetleri düşük tutmanın bir önemi vardır.Eğer bir topluluk grubu, bir başlangıç veya araştırma kurumuysanız, burada belirtilen ilkeler, eylem edilebilir öngörüler oluşturmanıza yardımcı olacaktır.

Düşük Su Kalitesi Cihazının Anahtar Bileşenleri

Herhangi bir su izleme sisteminin kalbi, prosesi ve verileri iletme yeteneğidir. Doğru bileşenleri seçmek maliyet, doğruluk, dayanıklılık ve güç tüketimi içerir. Aşağıda dört temel bina bloğu inceleyeceğiz.

Sensörler: Uygulamanız için Doğru Mix'i seçin

Tüm su kalitesi parametrelerinin her dağıtımda ölçülmesi gerekmez.Su kaynağınıza en çok ilgili kirleticileri veya göstergeleri tanımlamakla başlayın. Aşağıdaki tablo, tipik fiyat aralıkları ve dikkateleri ile birlikte ortak düşük maliyetli sensör türlerini listeler.

• [FONT=0]pH Sensörler [Dönetici: 1) Bu ölçüm asit veya alkaliklik (0-14 ölçek) Analog pH probları 15 $ altında kullanılabilir, ancak kalibrasyon ve sürekli kullanımda sınırlı bir ömür (6-12 ay gerekir). Atlas Scientific pH Prodüksiyonu ve daha uzun bir yaşam sunar, ancak 50-$100 $ maliyeti.
• [FONT=0]Turbidity Sensörler [DFLT:1] – Turbidity askıya alınan partikülleri işaret ediyor ve birçok bölgede patojenler için önemli bir proxy. Low-cost optik sensörler (örneğin, 10-20 $) genel eğilimler için yeterli, ancak çevre ışık tarafından etkilenebilir ve düzenli temizlik gerektirir.
• [FONT:0)Kondüktiflik (EC) Sensörler[DÜT:1) - Elektrik iletkenliği toplam çözülmemiş sağlam ve selamlama ile ilişkili. Temel probeler 10-25 $ 'dır.Genellikle sağlamdır, ancak tuz inşasını önlemek için yıkanmalıdır.
• [FONT:0)Dis Çözülmüş Oksijen (DO) Sensörler[Dönetici: 0.0) - Pahalı (200+) için kullanılan optik temelli DO sensörleri, ancak son zamanlarda floresan giderleri kullanılarak fiyatlar 50-100 $ Galvanic probes daha ucuzdur (~$30) ama sık membran değiştirilmesi gerekir.
• [FONT=0]Temperature Sensörler [[Dönetici: 1 ) - Hemen hemen her zaman bir pH veya DO sensörünün parçası olarak dahil edilmiştir. DS18B20 (3–5) gibi bir dijital sıcaklık sensörleri çok güvenilirdir.

Gerçekten düşük maliyetli sistemler için, ilk sensör paketinizi pH, turbidity ve sıcaklık ile sınırlandırın. Bu üç parça, 40 $ 'lık bileşenlerde maliyetine mal olabilir ve zaten su kalitesi değişikliklerine güçlü bir gösterge sağlayabilir.Eksiyonellik ekleyin ve oksijeni bütçe izin verir.

Mikrodenetleyiciler: Cihaz Beyini

Mikrokontroller (MCU) sensör verilerini okur, süreçleri okur ve bunu bir iletişim modülüne gönderir. Düşük maliyetli IoT için en popüler seçenekler şunlardır:

• [FONT=0)ESP32[Dönetici:0)[Dönetici:0)[0][0)))[0|Dönemli: 0,9 $ 'dır, yüksek çözünürlükte olan Arduino IDE ve MicroPython tarafından desteklenmiştir. ultra-low-power derin uyku modu sadece 5 μA'yı alır, batarya destekli düğümler için ideal kılar.
• [FONT=0)Arduino Uno / Nano[DÜT:1) – Programa ve yaygın olarak mevcut olan (~ $ 3-5 klonlar için) çok basit. ancak kablosuz bağlantı eksikliği, bu yüzden dış bir Wi-Fi veya LoRa modülü eklenmelidir.
• [FONT=0)Raspberry Pico / Pico W) – Pico W (6) C veya MicroPython'da programlanabilir, ancak birkaç analog sensörler ve yayın verileri MQTT aracılığıyla okumak için yeterli.

[FONT:0) Öneri:[[Dönetici:0) En düşük maliyetli su kalitesi IoT cihazları için ESP32'yi seçin. Wi-Fi, Bluetooth, düşük güç uyku ve tek bir çipde yeterli işlem gücü birleştirir.Eğer LoRa iletişim gereklidir (uzun süredir, kesintiye uğramak için, off-grid dağıtım), bir LoRa modülü ile bir ESP32LoRa tahtasını bir araya getirir.

İletişim Modülleri: Verileri Cihazdan Çıkarmak

İletişim teknolojisi seçimi, sensörlerinizi nasıl dağıtabileceğinizi ve düşük maliyetli su izleme için en yaygın üç seçenek olduğunu belirler:

• [FONT:0]Wi-Fi[[Dönetici:0) – ESP32'ye inşa edilmiş, Wi-Fi ücretsizdir (bir ağ mevcutsa) ve verileri buluta veya yerel bir sunucuya iletebilirsiniz.
• [Düzzamanlı)[Dönemli)[Dönemli) [Düzücüler:0)LoRa (Uzun aralık)[Döneticiler)[Döneticiler)[değiştir | kaynağı değiştir], ancak bu, uzaktan göller, rezervuarlar veya tarım drenaj kanalları için idealdir.
• [FONT:0)Cellular (NB-IoT / LTE-M)) – Narrowband IoT (NB-IoT) modülleri, SIM7020E gibi 10-20 $ ve mevcut hücresel ağlarda çalışır.

Gerçekten düşük maliyetli bir sistem için, Wi-Fi ağ erişiminiz varsa en ucuz seçenektir. Uzak alanlarda dağıtdığınızda LoRa'yı aylık ücretlerden kaçınmak için kullanın; ilk ağ geçidi yatırımı birçok düğüm üzerinde hızla aortize edilir.

Power Sources: Cihazı Alive

Su izleme cihazları genellikle insan müdahalesi olmadan hafta veya aylar boyunca koşmaya ihtiyaç duyar. Güç yönetimi bu nedenle kritiktir. En yaygın çözümler şunlardır:

• [FONT:0)Solar-Powered Systems[[Dönetici: 1 ) - Bir Li-ion bataryasına bağlı küçük 3 W güneş paneli (10 $) (18650 hücre, 5 $), bir ESP32 tabanlı sensör süresi 15 dakika veya daha uzun süre devam ederse.
• [FONT:0)Battery-Only with Sleep Bisiklet) – paralel olarak iki 18650 hücre kullanın (yaklaşık 7 Ah) derin bir uykuda ESP32 ile. Her saat bir okuma almak, cihaz 3-6 ay boyunca çalışabilir.
• [FONT:0) Enerji deşarjı[[DÜT 1: 1) - Daha gelişmiş tasarımlar için, BQ25570 gibi mikro-solar veya termoelektrik hasatını düşünün (10) süper kapasiteli veya batarya şarj etmek için küçük bir güneş hücresinden güç artırmak.

Her durumda, MCU'yu derin uykuda çoğu zaman harcamak için program, sadece bir okuma almak ve verileri iletmek için uyanmak. İyi optimize edilmiş bir sistem ortalama 20-50 μA'nın çizimini bir yıldan fazla bir sürede saatte bir kez saatli okumalarla gerçekleştirebilir.

Maliyet-Effectiveness için tasarım gözlüğü

Düşük maliyetli bir cihaz inşa etmek sadece ucuz parçalar seçmekle ilgili değildir - kabul edilebilir veri kalitesini korurken toplam mülkiyet maliyeti en aza indirmekle ilgilidir.

Use Offthethethethethethe theShelf and Open Source- Donanım-

İlk birkaç prototip için özel PCB'lerden kaçının. yerine, ekmek dolabı kullanın, sonra bir prototyping kuruluna (perfboard) veya basit bir özel kalkan. Exploit mevcut açık kaynak donanım projeleri [FLT][Dönemli modüller kullanarak, düşük birim maliyetlerinden, topluluk desteğinden ve değiştirilmesinden yararlanın.).[FLT)[FLT)[FLT 7][FLT 7][D|D)

Flexability ve Onarımability için modüler tasarım

Cihazınızı tasarlayın, böylece sensör kurulu, MCU ve iletişim modülü ayrıdır. Bir sensör başarısız olursa, tüm sistemi kırmızıya sokmadan sadece bu bölümü değiştirebilirsiniz. Standart bağlantıları kullanın (JST, phoenix terminalleri) alan takaslarını basitleştirmek için.Bu yaklaşım aynı zamanda yeniden tasarlanmadan daha iyi bir sensöre yükseltmenizi sağlar.

Power Management Is the Single Most Cost Sürücü

Battery değiştirme ve bakım ziyaretleri genellikle IoT dağıtımlarında en büyük geri kalan maliyettir. Bu nedenle, MCU'nun derin uyku modunda ([Dön:0) Uygulamanız için kabul edilebilir olarak, her 30 dakika (örneğin, erken uyarı için) bir MOSFET aracılığıyla sensörlerden ayrılır.

Kalibrasyon ve doğruluk Ticareti

Düşük maliyetli sensörler zamanla sürükleniyor ve laboratuvar aletlerinden daha düşük hassasiyete sahipler: Mitigate this by:

• Dağıtımdan önce sensörleri ve ardından periyodik olarak (her 2-4 hafta) standart çözümler kullanarak.
• Yazılımda otomatik sıcaklık tazminatını (örneğin, pH ve iletkenlik için).
• Kritik parametreler için dualsensor kırmızılığı kullanarak - iki sensör bir tolerans içinde kabul ederse, okuma muhtemelen geçerlidir; aksi takdirde veriler bayrağını gösterir.
• Düşük maliyetli sistemlerin eğilimleri ve anomalileri tespit etmek için en iyi olduğunu kabul etmek, düzenleyici not doğruluğunu gerektiren mutlak ölçümler için değil.

Uygulama ve İşsizlik En İyi Uygulamaları

Prototiplemeniz tezgahta çalışıyorsa, alana hareket etmek yeni zorluklar getiriyor. Güvenilir, uzun vadeli bir operasyon sağlamak için bu yönergeleri takip edin.

Site Seçimi ve Enclosure Design

Temsil lokasyonlarında sensörler - sabit borular veya alanlar doğrudan aşağıda.Manmerge sensör kafa tamamen, ve sabit bir derinlikte sensörleri korumak için bir hata veya bakteriden korumak için bir kanal.Insquary installations, use a buoy with a heavy deep.

Data Transmission and Protocol Choice

IoT için en hafif ve en güvenilir protokol, İZMİRT:0)MQTT) yayınlanır ve en az bant genişliği tüketiyor ve JSON ödeme yüklerini yayınlamak için cihazınızı yapılandırın (örneğin, “f”:4.5"[tr|sv”: “(sf)|vermeler için bir bulut paketini kullanarak, LINMASINMASIN: 85|Döneticileri kullanarak,

Bulut Platformu ve Data Storage

Teknik seviyenizi ve bütçenizi karşılayan bir bulut platformu seçin:

• [FONT:0]ThingsBoard[[Dönem: 1) – Açık kaynak, MQTT'yi destekler ve panolar, alarmlar ve cihaz yönetimi sağlar.
• [0]Amazon Web Services IoT Core[[Dönetici: 1 ) – Pay-as-you-go, çok ölçeklenebilir, ancak büyük dağıtımlar için iyi bir kurulum gerektirir.
• [FONT:0)Blynk[[Dönetici: 1) Yeni başlayanlar için kolay, ancak ücretsiz tier limitleri veri noktaları.Küçük demolar için uygun.

Bir zaman serisi veritabanında ham veriler (InfluxDB, ZamanscaleDB) verimli sorgulama için. eşler aşıldığında otomatik uyarılar oluşturun (örneğin, 6.5 veya üstü 8.5).

Gerçek Yaşam Örnek: Bir Topluluk-Led Nehri İzleme Ağı

Örnek olarak, ESP32, pH Prodüksiyonunu kullanarak, ayarlanan düğümlerin her 15 dakikayı bir halka açık paniğe yayınlar.(Açık kaynaklama) Nehir boyunca verileri yasadışı çöplük değişiklikleri tespit etmek ve mevsimsel değişiklikler izlemek için kullanmak için kullanmak için kullanmak için kullanılır.

Meydanlar ve Pratik Çözümler

İyi tasarlanmış sistemler bile gerçek dünya engelleriyle karşı karşıyadır. İşte en yaygın ve onları nasıl ele almak.

Sensör Drift ve Biofouling

Sudaki Immersion, özellikle pH ve turbidity için kademeli sensör sürüklenme yollarına yol açıyor. En iyi çözüm, bir yıkama mekanizmasına dahil etmek - ne de sensör kafasının etrafındaki küçük bir pompa kullanın.

Data Reliability and Missing readings

Kablosuz iletişim bir SD kart üzerinde yerel depolamayı veya MCU'nun NVS hafızasında tutabilir. Bir ileti başarısız olursa, cihaz okumayı ve yeniden kayıtlarınızı bir sonraki uyandırmada depolar. Bulut platformu, cihaz saati kullanarak zaman sıralama verilerini işlemek için tasarlanmıştır (online'da Snapchat aracılığıyla senkronizasyon).

Güvenlikle ilgili

IoT cihazları genellikle yetersiz kaldı. minimumda, MQTT'yi TLS üzerinden kullanın (port 8883) ve AES128 şifrelemesini ödeme yüklerinize ekleyin.

Future rotası ve Gelişen Teknolojiler

Düşük maliyetli su kalitesi izleme alanı hızla ilerliyor. Üç trend bir sonraki cihazların nesli şekillendirecek.

Edge Computing with Machine Learning

Buluta ham sensör verilerini göndermek yerine, gelecekteki cihazlar, anormalliği tespit etmek için hafif ML modellerini yerel olarak çalıştıracaktır - asit maden suyu azaltımı gibi - ve sadece uyarıları ile iletir. ESP32-S3 ve benzer MCUs with a vektör uzantılı veya özel bir AI hızlandırıcısı ( Kendryte K210 gibi) bunu 15 $ altında mümkün kılar.

Sensör Fusion ve Multi-Parameter Probes

Tek bir gemideki birden fazla sensör şarj etmek maliyet ve basitleştirmeyi azaltır. Birkaç başlangıç şimdi pH, ORP, iletkenlik ve sıcaklık 50 $ altında.Bu daha doğru hale geldiğinde, ayrı analog sensörler yerini alacaklar.

Vatandaş Bilimi ve Açık Veri

Platformlar, vatandaşlara düşük maliyetli sensörler ve verileri açık bir şekilde dağıtmalarını teşvik ediyor.En ucuz donanım ve bulut aggregasyon kombinasyonu araştırmacılar ve politika yapıcılar için daha standart açık kaynak tasarımları ve sertifikalar bekliyoruz.

Sonuç: Su Kalite İzlemesi Kolaylaştırılması

Düşük maliyetli IoT cihazları su kalitesi izleme için artık bir niş hobi değildir - toplumlar için pratik, ölçeklenebilir bir çözüm, NGOs ve dünya çapındaki hizmetler.Demekle bileşenleri (sensors, MCU, iletişim modülü ve güç kaynağı), güç verimliliği ve modülerlik için tasarım, ve kullanım araçları, geleneksel ekipman maliyetinin bir kısmını sağlayan bir sistem inşa edebilirsiniz.

Anahtar küçük, test etmek ve tamamen başlamaktır. Tek bir $40'ta bir köy su alımına yakın pH'ı izleme ve turbidity, bugün herhangi bir veriden daha fazla bilgi sağlar. Teknoloji olgun ve ölçek ekonomileri olarak, her şey için gerçek zamanlı su kalitesi kapsamı, bu makale boyunca listelenen kaynakları keşfetmeye teşvik ederiz, açık kaynak donanım topluluğu ile bağlantı kurun ve bugün kendi sisteminize bağlı olarak.

[FONT:0] Bu makale IoT tasarımında mevcut en iyi uygulamalara atıfta bulundu ve Espressif ESP32 teknik el, LoRa Alliance spesifikasyonu ve Dünya Sağlık Örgütü'nün su kalitesi yönergeleri dahil olmak üzere yazarların kaynaklarına bağlantılara atıfta bulundu.