一切都取決于這一物質(zhì)，因此這個問題很重要。

Li An Phao 創(chuàng)立的“可飲用河流”基金會是一個倡導(dǎo)河流健康的當(dāng)?shù)亟M織，認(rèn)為河流自然應(yīng)該干凈到可以飲用。我們有機會親自與李安交談，她確認(rèn)水污染是更緊迫的問題之一，同時也給了我們一些有趣的見解，例如微塑料、醫(yī)院廢物（藥丸等）和污水化學(xué)品是目前的主要污染源在荷蘭這里。

第 5 章：潛在解決方案

配備傳感器的船

這個解決方案是關(guān)于可以掃描和跟蹤船底水中毒素量的船。當(dāng)這些毒素在一個地方有很多時，可以追蹤到這些毒素，目標(biāo)是水中的污染區(qū)域。當(dāng)檢測到這樣的區(qū)域時，它可以發(fā)送信號并警告人們在該特定位置進行清潔。因此，它實際上會跟蹤水的健康狀況，并警告水中含有大量毒素的污染區(qū)域。

回收的船

有了這個想法，我們想到了一個可連接的網(wǎng)，傳感器連接到船的底部。這個網(wǎng)絡(luò)將包含傳感器，可以測量水的質(zhì)量以及它被垃圾污染的程度。它將從河流/湖泊/海洋中收集一部分垃圾，并在容量已滿并且需要處理垃圾時通知船夫。從理論上講，最好用風(fēng)扇之類的東西通過船的運動來提供動力，這樣它就可以消耗清潔能源。

灌溉用水

由于飲用水越來越稀缺，而水本身也受到越來越多的污染，因此盡可能多地使用雨水進行灌溉是一個好主意。雨水是我們可以為此目的使用的最清潔的水源。灌溉是飲用水消耗的最大因素之一，減少這對環(huán)境來說是極好的。

可展開的有毒過濾器

使用此解決方案，我們繪制了以下圖像。在這里，我們想到了可以在海洋中有大量毒素的地方部署的過濾器。這可能來自漏油或其他化學(xué)廢物。過濾器需要傳感器來觀察和檢測毒素。根據(jù)它處理的化學(xué)物質(zhì)，它需要不同的過濾方法。過濾器會將毒素從水中排出，并檢查水的健康狀況。此外，過濾器將確保過濾后的毒素殘留物不必傾倒在其他地方，但可能會變成更有用的東西。

監(jiān)控浮標(biāo)

擁有一個易于部署的多功能監(jiān)測站將非常適合水研究和安全。例如，將這些浮標(biāo)放置在工業(yè)場地周圍的水域中可以幫助在收集當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的同時更快地定位威脅自然的泄漏。使這些浮標(biāo)自給自足、堅固耐用，最重要的是，防水是可持續(xù)產(chǎn)品的必要條件。

第 6 章：解決方案選擇

監(jiān)控浮標(biāo)

我們確定的最終解決方案是監(jiān)控浮標(biāo)。我們選擇了這個方案，因為它是最現(xiàn)實可行的。此外，完成產(chǎn)品后更容易測試。此外，它是最通用的適用設(shè)備；它既可以部署在河流中，也可以部署在海洋中。

浮標(biāo)的能源必須是清潔的，但也要足夠使浮標(biāo)能夠自我維持，因此想法是在物體表面放置太陽能電池板，這將為其中的少量電池供電，反過來將提供所有傳感器。這是完美的選擇，因為太陽能電池板本身是防水的，除了太陽之外不需要任何外部能源。

我們相信該設(shè)備將減少水污染，因為它應(yīng)該使公司更難污染并減少打撈隊的反應(yīng)時間。確切的計劃如圖 1 所示；當(dāng)發(fā)生泄漏時，浮標(biāo)會檢測到它并迅速向地方當(dāng)局發(fā)出警報，以便控制傷害并相應(yīng)地對可能的肇事者提出指控。

團隊規(guī)劃

為了最大限度地提高效率，我們認(rèn)為為每個成員分配一個特定的角色是徒勞的，因為在這種情況下，團隊合作優(yōu)于個人主義。因此，我們將團隊分為兩個部分：設(shè)計團隊和編程團隊。

我們處理它的方式，有兩種主要類型的任務(wù)需要我們注意：

• 設(shè)計（布局、形狀、草圖可視化、可漂浮性、防水、3D 打印、視頻捕捉、最終演示設(shè)置）

• 編程（arduino 代碼、服務(wù)器設(shè)置、數(shù)據(jù)流功能、傳感器校準(zhǔn)、電路、電源）

通過這個分工，每個團隊可以在自己之間處理問題，并通過相互溝通來解決問題。這可以防止一個人無休止地陷入一個問題，因為援助總是觸手可及。使這一切成為可能的最重要的是清楚地溝通自己的情況并考慮他人的個人情況。

團隊負(fù)責(zé)人的目的是安排會議，監(jiān)督兩個團隊的進展，并在需要時傳達一個團隊對另一個團隊的要求。僅憑這一點當(dāng)然是不夠的，因此他還致力于文檔編制，并盡可能提供幫助。除此之外，諸如購買之類的小任務(wù)都交給了任何有空的人。

第 7 章：方法論

使用的設(shè)備：

Arduino相關(guān)：

• NodeMCU V3（二）

• 電阻器

• 電線

• 太陽能板

• 太陽能控制器

• 升壓器

• 中繼

• 轉(zhuǎn)變

• USB電纜

• USB接口模塊

• 可充電電池

• 電池端口

• 互聯(lián)網(wǎng)連接模塊

• PH傳感器

• 濁度傳感器模塊

打印浮標(biāo)

浮標(biāo)的外殼將采用 3D 打印，最好使用有機材料，這樣外殼的腐爛將對環(huán)境造成最小的破壞。從長遠來看，一些材料不可避免地會腐爛，不管水的純度和其中的野生動物應(yīng)該盡可能保持原樣。

BayWatch 旨在部署在主要不受控制的環(huán)境中，例如河流和湖泊，這意味著需要保護電子設(shè)備免受冬季霜凍或極端風(fēng)暴等環(huán)境危害。主要問題是使設(shè)備防水，同時仍允許其執(zhí)行預(yù)期任務(wù)。

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圖 2. BayWatch 的早期草圖

BayWatch 將需要一個隔間，傳感器可以在其中不受干擾地完成任務(wù)，同時保護更精密的電子設(shè)備免受水損壞。如圖 2 所示，我們決定通過將浮標(biāo)水平分成兩個腔室來解決這個問題：下半部分是空心的，除了讀取傳感器外，允許水進入并被不顯眼地讀取，上半部分充滿電路因此要保持干燥。一旦密封，就無法進入后者。更重要的是，BayWatch 上安裝了一種浮動環(huán)，確保敏感的一半保持在水面以上，幾乎消除了發(fā)生水損壞的機會并提供了進一步的穩(wěn)定性。

數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)將在 NodeJS Web 服務(wù)器上收集，該服務(wù)器能夠通過特定端口處理數(shù)據(jù)輸入，如下圖 3 所示。

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圖 3 早期 Web 服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸

如果我們使用帶 wifi 的 arduino，我們就可以通過互聯(lián)網(wǎng)無縫傳輸數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)將存儲在數(shù)據(jù)庫中，由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器處理。一旦客戶請求數(shù)據(jù)，就可以通過從數(shù)據(jù)庫接收數(shù)據(jù)將其繪制在網(wǎng)站上。由于 BayWatch 的目的之一是檢測污染，因此浮標(biāo)持續(xù)傳輸數(shù)據(jù)至關(guān)重要。因此，我們的目標(biāo)是通過每 10 分鐘一次的輪詢來收集數(shù)據(jù)。對于現(xiàn)場演示，我們可能會降低此間隔以展示我們的產(chǎn)品。Web 服務(wù)器處理數(shù)據(jù)，并在通過發(fā)送電子郵件達到限制時發(fā)出警告。這種分析不是由微控制器完成的。我們知道水中有wifi的可能性很小，

數(shù)據(jù)使用/分析

我們表示數(shù)據(jù)的方式是通過本地網(wǎng)站。我們將使用實時更新提要繪制結(jié)果（圖 3）。該網(wǎng)站是交互式的，查看者可以在濁度讀數(shù)和 pH 讀數(shù)之間做出決定。通過這種方式，可以分析 BayWatch 所在水體的即時狀態(tài)。

在最理想的未來，我們將擁有我們所有位于不同河流位置的浮標(biāo)的特設(shè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到我們（目前不存在的）公共網(wǎng)站。有了它，我們還可以放入一張地圖，用例如顏色來指示河流的健康狀況。紅色越深，河流的健康狀況越差，越藍越好。來自公眾的隱藏數(shù)據(jù)主要是來自傳感器的數(shù)據(jù)。即便如此，圖表將很好地描繪來自傳感器的傳入數(shù)據(jù)。將給出一系列可接受的值，超過這些值將觸發(fā)警報并派遣清理團隊。該網(wǎng)站的宣傳可以傳播意識，讓每個人都有機會了解我們河流的健康狀況，從而為好奇的人提供信息。

驅(qū)動數(shù)據(jù)

BayWatch 是一種物理靜態(tài)設(shè)備，僅由其傳感器讀取的值驅(qū)動。為了充分發(fā)揮數(shù)據(jù)的潛力，我們希望在數(shù)據(jù)值出現(xiàn)故障時采取行動。例如，當(dāng) pH 傳感器測量的值過高時，這意味著某些有毒物質(zhì)已進入水中。當(dāng)我們在一條河流中有不同的浮標(biāo)時，我們可以準(zhǔn)確地確定這種有毒物質(zhì)的來源并隨后得出結(jié)論。例如，如果碰巧有一家公司靠近那個地方，可以聯(lián)系這家公司并詢問這是否是他們做的。

通過數(shù)據(jù)的驅(qū)動將用于警報目的。即便如此，此警報本身也不會由浮標(biāo)本身發(fā)送，而是由上傳數(shù)據(jù)的服務(wù)器發(fā)送。

傳感器校準(zhǔn)

因為我們使用了很多不同的傳感器，所以我們需要查看它們并討論它們是否需要校準(zhǔn)。

pH 傳感器是最重要的工具之一，通常用于水測量。這種類型的傳感器能??夠測量水和其他溶液中的堿度和酸度。 [25] 因此，對于 PH 傳感器，有必要對其進行校準(zhǔn)，因為如果不這樣做，可能會在此過程中出現(xiàn)一些測量誤差。（建議每月校準(zhǔn)傳感器兩次。但也可以在電極已使用很長時間或需要非常精確的測量時進行）。校準(zhǔn)過程將在下一章中說明。

然后是濁度傳感器。濁度傳感器通過將光束發(fā)送到待測水中來工作。然后，該光將被任何懸浮顆粒擴散。光檢測器與光源成 90 度角放置，并檢測反射回來的光量。 [26] 對于這種類型的傳感器，校準(zhǔn)它不是很必要，但這是可能的。YSI 建議僅使用兩種類型的濁度解決方案才能成功校準(zhǔn)。第一個是專門為 YSI 濁度傳感器準(zhǔn)備和測試的 AMCO-AEPA 濁度標(biāo)準(zhǔn)。另一種是基于 Formazin 的標(biāo)準(zhǔn)品，可以自行制備、以特定指定值購買或以高濃度購買并稀釋。 [27]

不幸的是，我們沒有這些液體中的任何一種，所以我們使用了極端方法。肉眼可以輕易區(qū)分清水和腐水，因此我們用自己的感官來校準(zhǔn)設(shè)備，即使這不是很準(zhǔn)確。我們將使用水，將其與在傳感器中放入非透明塑料以及更透明的塑料進行比較，并記下讀數(shù)。

第 8 章：結(jié)果驗證

克服系統(tǒng)錯誤

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圖 4. 在茶中使用 pH 計驗證傳感器讀數(shù)

重申一下，BayWatch 包含兩個用于測量數(shù)據(jù)的傳感器：一個 pH 傳感器和一個濁度傳感器。與任何傳感器一樣，尤其是那些按預(yù)算購買的傳感器，驗證輸入讀數(shù)非常重要，如圖 4 所示。

對于 pH 傳感器，我們能夠獲得一些 pH 計，以確保給定的讀數(shù)是準(zhǔn)確的。我們在水和肥皂的混合物中測試了傳感器，然后再次用水和醋進行了測試，已知它們分別是堿性和酸性的。

為了讓傳感器輸出所需的值，首先需要對其進行校準(zhǔn)。pH 傳感器使用 Arduino 的模擬輸出，該輸出以我們知道它在某些液體上使用的電壓的方式映射。我們需要 2 種受控液體，最好是具有相反的 pH 值幽靈，并且使用 pH 計，我們幾乎可以知道液體的準(zhǔn)確值，這將用于校準(zhǔn)傳感器。

然后我們記錄傳感器為 2 種液體輸出多少電壓。

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圖 5. 用于校準(zhǔn) pH 計的數(shù)據(jù)

在圖 5 中，左列表示流體的實際 pH 值，右列表示傳感器與流體接觸時顯示的電壓。

對于要校準(zhǔn)的傳感器，我們使用這些值來聲明 2 個確定值 k 和 Offset。

最終的 pH 值將按如下方式計算：

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這 2 個值是使用圖 5 中的值通過以下公式計算得出的：

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因此，對于我們的代碼，使用了 k = 18.70833333 和 Offset = 42.55916667。

pH值大多是準(zhǔn)確的，但仍有誤差范圍，這也受pH計誤差范圍的影響很大。

計算電壓的方法是每次讀數(shù)平均取 40 個樣本，以確保獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果。

此過程有助于確保數(shù)據(jù)讀數(shù)中沒有系統(tǒng)錯誤。系統(tǒng)錯誤是指讀數(shù)不準(zhǔn)確，這意味著即使是精確的數(shù)據(jù)讀數(shù)也將全部偏離真實值。

至于濁度傳感器，濁度計遠遠超出了我們提供的預(yù)算，所以我們用肉眼進行了驗證：當(dāng)浮標(biāo)放入的水變得太不清楚時，這個傳感器的讀數(shù)就會改變。雖然這種方法并不完全準(zhǔn)確，但我們別無選擇，只能在這樣的相對框架中工作。

此外，濁度傳感器的讀數(shù)輸出約為 5V，而我們使用的 NodeMCU 只能感知 3.3V，這意味著我們需要映射我們的值，這會略微增加最終結(jié)果的不準(zhǔn)確性。

它可能需要更準(zhǔn)確的校準(zhǔn)，但我們?nèi)匀豢梢詤^(qū)分臟水和干凈水，這對我們的目的很有幫助。

克服隨機錯誤

然而，即使是經(jīng)過良好校準(zhǔn)的傳感器也不可避免地會出現(xiàn)讀數(shù)的不確定性，也稱為隨機誤差。

就數(shù)據(jù)驗證而言，存在 3 種主要的數(shù)據(jù)驗證方式：傳入數(shù)據(jù)校正、錯誤數(shù)據(jù)檢測和進一步校正方法 [23]。考慮到我們每種傳感器只有一個，消除此類錯誤的方法并不多。

可以在本地處理傳入的數(shù)據(jù)并刪除明顯錯誤的讀數(shù)。我們決定傳入的數(shù)據(jù)應(yīng)該在微控制器上本地處理，因為這樣可以更快地響應(yīng)刺激；在現(xiàn)實生活中的應(yīng)用程序中，時間至關(guān)重要。

arduino 的內(nèi)存容量還允許協(xié)議可以在一定程度上減少讀數(shù)中的隨機錯誤。如前所述，數(shù)據(jù)將每 10 分鐘輪詢一次，此時 arduino 將得出這 10 分鐘內(nèi)讀數(shù)的平均值。這應(yīng)該會大大減少隨機錯誤。

此外，如果讀數(shù)突然變平并產(chǎn)生連續(xù)的 0 或其他形式的不切實際數(shù)據(jù)，則很明顯其中一個傳感器出現(xiàn)故障。除此之外，如果突然沒有數(shù)據(jù)輸入，則表明電源（即太陽能電池板或電池）無法運行或節(jié)點不再連接到互聯(lián)網(wǎng)。這種情況表明浮標(biāo)必須手動收集和修復(fù)，因為盡管它是自主設(shè)計的，但 BayWatch 無法自行修復(fù)。

第 9 章：最終結(jié)果和結(jié)論

最終構(gòu)造和功能評估

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圖 6. 完成的電路

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圖 7：草圖電路

盡管各個方面都運行良好，但在組合這些對象時開始出現(xiàn)錯誤。我們想使用 arduino wifi shield，但它有點舊，而且沒有很多文檔。我們沒有得到它來做發(fā)布請求。所以我們使用了 NodeMCU，不幸的是它只有 1 個模擬輸入，這不適合我們使用模擬輸入的 2 個傳感器的情況。我們決定使用二極管和一些巧妙的編程來構(gòu)建一個電路，以在讀取 2 個感官輸入之間進行迭代。這適用于 2 個電位器，但是當(dāng)我們連接濁度和 Ph 傳感器時，讀數(shù)不準(zhǔn)確。在思考了該怎么做之后，我們決定使用 2 個 NodeMCU 并將數(shù)據(jù)發(fā)送到 2 個不同的數(shù)據(jù)庫。這樣做的好處是，如果一個微控制器發(fā)生故障，另一個微控制器仍然可以發(fā)送數(shù)據(jù)并且讀數(shù)更準(zhǔn)確。將來我們可以連接這兩個并實施隨附的故障排除應(yīng)用程序。

我們面臨的另一個問題是電源，當(dāng)我們將 microUSB 直接連接到計算機進行測試時，它提供了穩(wěn)定的 5 伏電壓，并且 PH 傳感器工作正常。然而，當(dāng)它連接到電池和太陽能控制器時，它只能提供大約 3.1 伏的電壓。在測量引腳上的電壓時，我們得出結(jié)論，它太低了，無法獲得準(zhǔn)確的讀數(shù)。所以我們得到了一個升壓器，可以把電壓升到5v。這使得 PH 傳感器正常工作。由于在使用并聯(lián)電路時電壓不會被分壓，我們可以很容易地連接 2 個需要小電流的微控制器。然而，下一個問題正在我們的路上；濁度傳感器需要 5 伏電壓才能工作，而我們使用的微控制器僅提供 3.3。將濁度傳感器直接連接到電源將不斷測量數(shù)據(jù)，這不是

繼電器由微控制器觸發(fā)，如果開啟，則從電池向濁度傳感器提供 5 伏電壓。我們在模擬引腳上使用了一個電阻器，因此來自濁度傳感器的較高電壓不會破壞微控制器。我們在本地網(wǎng)絡(luò)上對其進行了測試，最終電路（視覺圖 6，功能圖 7）工作正常。一個小組成員進行了最后一些神奇的、極其快速的計算，以確保 PH 傳感器是準(zhǔn)確的，并且濁度也得到了微調(diào)。

當(dāng)這種情況發(fā)生時，其他一些成員為浮標(biāo)準(zhǔn)備了實際情況。他們制作了防水橡膠板，為傳感器鉆孔，涂上防水材料并連接浮環(huán)。

不幸的是，第一次插入浮標(biāo)時，pH傳感器壞了，導(dǎo)致虎頭蛇尾的失敗。即便如此，我們也沒有讓這讓我們灰心，繼續(xù)工作。在編寫本文檔時，我們只有圖 8，它是一個功能原型。它能夠讀取水純度值并將其發(fā)送到服務(wù)器以進行演示。即便如此，在我們看來，在提交此文檔后，我們將能夠完成 BayWatch 是毫無疑問的，因此圖 8 旨在作為即將到來的預(yù)覽。

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圖 8：BayWatch，最終狀態(tài)

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的設(shè)置需要相當(dāng)長的時間。它是由我們的一位程序員在流行的 NodeJS 上構(gòu)建的，使用 Express 來提供網(wǎng)頁服務(wù)。提供服務(wù)的網(wǎng)頁會自動向服務(wù)器發(fā)送 GET 請求，以檢查是否有任何新數(shù)據(jù)添加到數(shù)據(jù)庫中。該數(shù)據(jù)庫是一個簡單的 NeDB 數(shù)據(jù)庫，它是 MongoDB 的淡化版本。雖然很古怪，但它符合我們項目的目的，因為我們只是存儲值。數(shù)據(jù)使用流行的開源 ChartJS 顯示。您可以縮放和平移圖表，使數(shù)據(jù)可視化顯示河流的實時健康狀況，這對于提高意識也很重要。傳入的數(shù)據(jù)通過 http POST 請求協(xié)議（由微控制器）以 JSON 格式發(fā)送并放入數(shù)據(jù)庫。Web 服務(wù)器將時間戳添加到接收到的數(shù)據(jù)中。

現(xiàn)實生活中的可行性

正如已經(jīng)闡明的那樣，水污染仍然很突出，因為打撈隊的延遲反應(yīng)時間使得它可以匿名進行。也正是這種反應(yīng)時間的延遲使污染變得如此具有腐蝕性，因為在污物從河流或海洋中清除之前，可能已經(jīng)對環(huán)境造成了很大的破壞。因此，我們相信 BayWatch 可能確實是一個現(xiàn)實的解決方案，因為快速檢測廢物將增加反應(yīng)時間并使當(dāng)局能夠保護河流的水純度。

事實上，我們的浮標(biāo)監(jiān)測站的變體最近已經(jīng)在現(xiàn)場使用。[33] 例如，我們與“可飲用河流”的創(chuàng)始人李安福討論了這個問題，李安福目前也在研究一個創(chuàng)造性的生物測量網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)利用蛤蜊對水體中溶解顆粒的反應(yīng)來確定污染量. 許多其他人采取了與我們類似的方法這一事實證實了我們的解決方案并非毫無根據(jù)。

然而，這個計劃確實有相當(dāng)大的限制。例如，在撰寫本文時，污染法仍不足以阻止大公司停止污染，本質(zhì)上使警務(wù)設(shè)備相當(dāng)過時[34]。雖然這筆罰款數(shù)額不小，但通常只是公司妥善處理廢物所需費用的一小部分。只要這樣做無利可圖，這些公司就不會被阻止改變他們的程序。話雖如此，有證據(jù)表明即將出臺的法律將對此類公司施加更多限制，因此這種過時可能只是暫時的。

此外，人們擔(dān)心我們將使用的材料，因為使用 BayWatches 會適得其反，具有諷刺意味的是，從長遠來看，只會通過分解和升高垃圾堆 [35] 進一步損害環(huán)境。這可能很困難，因為海洋是最容易受到突然氣象變化影響的生物圈，并且可能會變得暴力，或者甚至可能來自經(jīng)過的游輪不小心將浮標(biāo)一分為二造成破壞。

未來展望

在目前的狀態(tài)下，BayWatch 是一個簡化的原型，并且可以繼續(xù)增強。現(xiàn)在它只擁有濁度傳感器和 pH 傳感器，但存在分析水體的替代方法，例如使用生物污染物或光譜讀數(shù)。浮標(biāo)的尺寸可以增加，以便它可以使用更多的傳感器，從而可以更清楚地解釋其數(shù)據(jù)供應(yīng)。

到目前為止，BayWatch 是一個單一的原型，然而，它被設(shè)計為大型 ad hoc 無線網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點。換句話說，真正的 BayWatch 將是一個大型浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，通過相互通信傳遞快速準(zhǔn)確的讀數(shù)。這將帶來許多改進，例如，將一個原型設(shè)置為每 10 分鐘輪詢一次發(fā)送數(shù)據(jù)，但如果將多個節(jié)點設(shè)置為以不同的時間間隔進行連接，那么就會有源源不斷的數(shù)據(jù)流。此外，即使設(shè)備停止運行，網(wǎng)絡(luò)也可以繼續(xù)運行，這對于單個原型當(dāng)然是不可能的。

總而言之，這個原型旨在展示 BayWatch 的基本功能，但它絕不代表它的全部潛力。作為一個自組織網(wǎng)絡(luò)，匿名進行污染肯定會使污染更具挑戰(zhàn)性，并且不再允許它在不被注意的情況下進行。

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圖 9：未來可能浮標(biāo)的渲染

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圖 10：未來可能浮標(biāo)的附加渲染

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