Monitor de Saúde de Rios: Sistema de Qualidade da Água Baseado em Arduino

Componentes e Materiais

Componente	Quantidade
Arduino MKR1000 (MKR FOX 1200)	1
Sensor de Nível de Água	1
Sensor de pH	1
LED (branco, preferencialmente)	1
Resistor 220 ohm	2
Fotorresistor (LDR)	1
Jumpers	1 kit

Ferramentas Necessárias

• Ferro de solda
• Serra de arco (hacksaw)

Aplicativos e Serviços Online

• Arduino Web Editor
• Sigfox
• Wia (plataforma IoT)

Sobre o Projeto

Visão Geral

Um rio ou lago pode ser ótima fonte de lazer e relaxamento. Mas se a água fica suja e contaminada, a diversão acaba. Muitas pessoas dependem da água do rio para seus animais e não podem dar água suja a eles.

Imagine morar à beira de um rio: não quer acordar de madrugada com a casa alagada por enchente. Ou se um vizinho jogar gasolina no rio, não quer seus animais adoecendo.

O MyRiver resolve esses problemas. Opera em áreas isoladas graças à rede Sigfox, dando acesso a todos. O dispositivo lê o pH da água, nível de poluição (método inovador) e nível da água. Você monitora o rio em tempo real no celular ou computador via plataforma Wia. Assim, sabe se há problema no curso d'água e pode agir antes que seja tarde. Notifica imediatamente se houver problema.

Funcionalidade

Baseado no Arduino MKR FOX, projetado para uso remoto. Coloque o dispositivo no rio/lago e monitore de qualquer lugar. Graças ao modo de baixa energia do SAM D, funciona por longo período com 2 pilhas AA.

Faz leituras a cada 30 minutos, entrando em sleep depois (mínimo 20 minutos de sleep). O MKR FOX lê:

• pH do rio via sensor de pH;
• Nível da água via sensor de nível;
• Poluição por substâncias insolúveis: um LED brilha sobre um fotorresistor – se a leitura for baixa, substância sólida (óleo, gasolina, mercúrio, etc.) está presente na água.

Dados enviados ao Sigfox, repassados ao Wia, processados e visualizados. Usuário notificado sobre o estado do rio.

O buffer é enviado ao Sigfox codificado em HEX. Sigfox repassa ao Wia, onde passa por um flow: convertido de volta para string, depois para valores dos sensores, processados e usuário notificado se valores fora dos limites.

Partes Principais do Código

• Read Sensors: lê pH, nível da água e fotorresistor, armazena em variáveis;
• Format Buffer: mescla os 3 valores em buffer de 12 bytes para envio ao Sigfox;
• Parse Data: envia o buffer ao Sigfox.

O MKR FOX envia apenas 12 bytes via Sigfox. Todos os valores dos sensores (máximo 1024, analógicos) devem caber no buffer: cada sensor ocupa 4 bytes (1/3 do buffer). O Arduino converte inteiros em strings, preenche com zeros à esquerda até 4 bytes, e mescla.

Exemplo: fotorresistor = 620 → 0620 (um zero). Nível da água = 24 → 0024 (dois zeros). Valores mesclados em buffer de 12 bytes e enviados ao SigFox.

O Dispositivo em Ação

Benefícios

O usuário beneficia-se em:

• Monitorar facilmente nível da água, pH e poluição de qualquer lugar, a qualquer hora;
• Receber notificação se rio poluído (substâncias solúveis/insolúveis) ou risco de enchente;
• Facilidade de uso e instalação;
• Funciona em qualquer país com cobertura Sigfox.

Construindo o Projeto

Passo 1: Material Necessário

Todos os componentes devem ser soldados (não usa protoboard). Lista:

• 1x Arduino MKR FOX 1200
• 1x Sensor de pH
• 1x Sensor de Nível de Água
• 1x Fotorresistor
• 1x LED Branco
• 2x Resistores 220Ω
• Jumpers

Passo 2: Conectando o Circuito

O diagrama pode ser confuso pois componentes não estão em protoboard. Se tiver dificuldade, baixe o arquivo Fritzing e reorganize os fios no computador.

Preparando o MKR FOX

Conecte a caixa de bateria e antena ao MKR FOX. A caixa de bateria deve ser conectada após os sensores. Outras ligações em Constructing the Project / Final.

Passo 3: Entendendo o Código

Três partes principais:

Read Sensors

struct GetValue {
  int riverLevel() {
    const int val = analogRead(A2);
    if(proDebug) {
      Serial.print(" River Level ");
      Serial.println(val);
    }
    return val;
  }
  int riverPh() {
    const int val = (analogRead(A1) / 5 * 3.3);
    if(proDebug) {
      Serial.print(" River Ph ");
      Serial.println(val);
    }
    return val;
  }
  int riverPol() {
    const int val = analogRead(A3);
    if(proDebug) {
      Serial.print(" River Pollution ");
      Serial.println(val);
    }
    return val;
  }
};

Estrutura com loops para ler cada sensor separadamente.

Format Buffer

String data(int level, int ph, int pol) {
  int values[3] = {level, ph, pol};
  String newValues;
  for(int i = 0; i < 3; i++) {
    if(values[i] < 10) {
      newValues += "000";
    } else if(values[i] < 100) {
      newValues += "00";
    } else if(values[i] < 1000) {
      newValues += "0";
    }
    newValues += values[i];
  }
  return newValues;
}

Recebe 3 valores, coloca em array, percorre adicionando zeros à esquerda até 4 bytes cada, concatena em string retornada.

Parse Data

void parseData(String data) {
  SigFox.beginPacket();
  SigFox.print(data);
  int ret = SigFox.endPacket();
}

Envia string formatada ao Sigfox.

Passo 4: Configurando Integração Wia + Sigfox

Wia é plataforma IoT profissional para visualizar dados via widgets (web/app) e criar flows (código em blocos) para processar dados. Dados representados por eventos.

Pré-requisitos: conta Sigfox, conta Wia, app Wia no iOS/Android para notificações.

Configuração do webhook no Sigfox para Wia:

1. Type: Data Uplink
2. Channel: URL
3. Custom Payload Configuration: deixar vazio
4. URL Pattern: https://api.wia.io/v1/events
5. HTTP Method: POST
6. Header: Authorisation = Bearer <seu_token>
7. ContentType: application/json
8. Body: copiar código do link fornecido
9. Clique OK

Passo 5: Configurando Flow no Wia

O flow converte dados de HEX para String, parseia em 3 valores dos sensores, converte para inteiros, transforma poluição e nível em "High/OK" e pH real, notifica se fora dos limites.

Funções Wia (copie e cole)

processPayload

if(input.body) {
  output.body.name = "value";
  output.body.data = toByteArrayStr(input.body.data.sigfoxData);
}
function toByteArrayStr(sigfoxData) {
  let result = Buffer(sigfoxData, 'hex');
  return result.toString('utf8');
}

processPollution

if(input.body.data) {
  let data = input.body.data;
  if(data == "POLLUTED") {
    output.body.name = "waterLevel";
    output.body.data = data;
  } else {
    while(1);
  }
}

processPh

let minVal = 6.5;
let maxVal = 8.5;
if(input.body.data) {
  let data = input.body.data;
  if(data > maxVal || data < minVal) {
    output.body.name = "waterPh";
    output.body.data = data;
  } else {
    while(1);
  }
}

processLevel

if(input.body.data) {
  let data = input.body.data;
  if(data == "HIGH") {
    output.body.name = "waterLevel";
    output.body.data = data;
  } else {
    while(1);
  }
}

riverPollution

let minVal = 200;
let maxVal = 0;
if(input.body.data.sigfoxData) {
  let data = input.body.data.sigfoxData;
  let processedData = toByteArrayStr(data);
  let newData = cutString(processedData);
  output.body.name = "waterPollution";
  output.body.data = processData(newData);
}
function toByteArrayStr(sigfoxData) {
  let result = Buffer(sigfoxData, 'hex');
  return result.toString('utf8');
}
function cutString(data) {
  let newVal = data[8] + data[9] + data[10] + data[11];
  return parseInt(newVal);
}
function processData(data) {
  return (data < minVal) ? "POLLUTED" : "OK";
}

riverPh

let minVal = 300;
let maxVal = 600;
if(input.body.data.sigfoxData) {
  let data = input.body.data.sigfoxData;
  let processedData = toByteArrayStr(data);
  let newData = cutString(processedData);
  let finalVal = (newData / 73.1428571);
  let valueToSend = finalVal.toFixed(2);
  output.body.name = "waterPh";
  output.body.data = valueToSend;
}
function toByteArrayStr(sigfoxData) {
  let result = Buffer(sigfoxData, 'hex');
  return result.toString('utf8');
}
function cutString(data) {
  let newVal = data[4] + data[5] + data[6] + data[7];
  return parseInt(newVal);
}

riverLevel

let minVal = 0;
let maxVal = 200;
if(input.body.data.sigfoxData) {
  let data = input.body.data.sigfoxData;
  let processedData = toByteArrayStr(data);
  let newData = cutString(processedData);
  output.body.name = "waterLevel";
  output.body.data = processData(newData);
}
function cutString(data) {
  let newVal = data[0] + data[1] + data[2] + data[3];
  return parseInt(newVal);
}
function toByteArrayStr(sigfoxData) {
  let result = Buffer(sigfoxData, 'hex');
  return result.toString('utf8');
}
function processData(data) {
  return (data > maxVal) ? "HIGH" : "OK";
}

E-mails de Alerta Wia

riverPollutionEmail

Sistema Automático de Mensagens - Alerta de Dados
Dispositivo myWater ${trigger.source.device.id} detectou problema no rio.
Alerta - Água Poluída por Substâncias Insolúveis.
Info: Dispositivo ${trigger.source.device.id} | Dados Brutos ${input.body.data}

riverPhEmail

Sistema Automático de Mensagens - Alerta de Dados
Dispositivo myWater ${trigger.source.device.id} detectou problema no rio.
Alerta - pH da Água Inadequado. Água Contaminada.
Info: Dispositivo ${trigger.source.device.id} | Dados Brutos ${input.body.data}

riverLevelEmail

Sistema Automático de Mensagens - Alerta de Dados
Dispositivo myWater ${trigger.source.device.id} detectou problema no rio.
Alerta - Nível da Água Muito Alto, Rio Pode Estar Transbordando.
Info: Dispositivo ${trigger.source.device.id} | Dados Brutos ${input.body.data}

Configurando Variáveis

Quando dados chegam ao Wia, são processados. Se entre min/max, valor é seguro. Limites de pH e nível já definidos, mas usuário deve definir limite do fotorresistor manualmente. Teste para determinar:

void setup() {
  pinMode(1, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
  while(!Serial) {};
  digitalWrite(1, HIGH);
}
void loop() {
  const int val = analogRead(A3);
  Serial.println(val);
  delay(5000);
}

Outra variável: proDebug. Se habilitado, Arduino precisa de USB + Serial Monitor aberto (imprime para debug). Padrão: false para operação em campo.

Bibliotecas

• Sigfox – copyright (c) 2016 Arduino LLC, GNU LGPL, domínio público
• ArduinoLowPower – (c) 2016 Arduino LLC, GNU LGPL, domínio público

Passo Final: Gabinete

Conecte Arduino ao PC/Mac, faça upload do sketch, certifique-se que caixa de bateria está conectada e circuito OK. Próximos passos: fazer gabinete.

Usei garrafa PET – forma ecológica e criativa. Dispositivo fica como na foto:

Imagens do processo de fabricação do gabinete:

Instalação no Rio

Vá ao rio durante Maré Alta – essencial para não alertar enchente falsamente. Coloque fita na tampa da garrafa para vedar. Fixe o projeto à margem com fita ou parafusos. A sonda deve ter água na base do sensor de nível, cobrindo totalmente o fotorresistor.

Testamos em rio poluído local – todos alarmes dispararam corretamente.

Contexto

Relaxando em casa, olhando a janela para o rio que era belo... mas agora verde e viscoso. Você pensaria em se mudar. Se o rio invadir sua casa à noite enquanto dorme, certamente se mudaria.

Pensei nesses problemas e como resolvê-los num só dispositivo: nasceu o MyRiver.

Na cidade, avisa se rio vai estragar seu dia ou vizinho jogando óleo. Na fazenda, avisa se água suja antes de dar aos animais, e dá tempo de recolhê-los antes de enchente.

Só ler pH não basta – substâncias insolúveis (mercúrio, metais) não alteram pH. Criamos método único: fotorresistor lendo luz de LED atravessando a água. Qualquer impureza é detectada.

Código Completo

Código completo disponível na seção de código do projeto original.

Esquemáticos

Arquivo Fritzing: schematics_lXO5SiusZO.fzz