Sistema de Monitoramento de Qualidade da Água em Tempo Real com Arduino e GPRS/GPS

Componentes e Materiais

Arduino UNO	×	1
Módulo A7 GPRS/GPS	×	1
Sensores de Qualidade da Água	×	1

Ferramentas e Máquinas Necessárias

• Ferro de Solda (genérico)

Aplicativos e Serviços Online

• Microsoft Azure
• Arduino IDE

Sobre o Projeto

Introdução

Em setembro de 2016, uma estação de tratamento de água teve que ser desligada porque água poluída fluía para a planta. A empresa de abastecimento de água não conseguiu identificar a fonte de contaminação e isso causou uma séria interrupção no serviço de água.

Meu curso universitário exige que os alunos construam um sistema para resolver problemas da comunidade. Um sistema automatizado de monitoramento de qualidade da água facilitaria o trabalho de encontrar a fonte de poluição!

Visão Geral do Sistema

4 sensores são interligados ao Arduino Genuino 101. Todos eles requerem algum circuito de interface porque são sensores de saída de corrente. O Arduino Genuino 101 coleta os dados de medição periodicamente, obtém as coordenadas GPS e envia o pacote de dados para um banco de dados usando enlace de dados GPRS. Os usuários podem acessar o site para ver o resultado como mostrado abaixo.

Sondas dos Sensores

Os três sensores de saída de corrente são da Global Water, fornecidos pelo professor orientador. Uso sensores de temperatura, pH e oxigênio dissolvido neste projeto. Infelizmente, o sensor de oxigênio dissolvido está com defeito.

O outro sensor é um sensor de turbidez, que emite um nível de tensão proporcional à quantidade de partículas sólidas suspensas na água.

Interfaceando Sensores e Arduino

Um resistor converte a saída de corrente em nível de tensão mensurável.

Módulo A7 GPRS e GPS

Escolhi este módulo A7 porque é relativamente mais barato que a variante SIM900, e combina GPRS e GPS em um único pacote!

No entanto, o preço mais barato vem com um custo. Primeiro, a antena GPS que vem com o módulo não é realmente uma antena GPS, você terá que comprar uma você mesmo. Segundo, ele só suporta comunicação UART a 115200 bps por padrão, e mesmo se você mudar via software, ele voltará à taxa de baud padrão após um ciclo de energia, e Software Serial a 115200 bps é muito, muito não confiável. Arranquei meus cabelos por 2 dias com esse problema. Depois disso, implementei uma função de mudança de taxa de baud no código do Arduino.

E, como este é um módulo novo, precisei criar minha própria biblioteca para ele. Os códigos fonte são coletados de vários lugares, como SIM900 e módulo GPS Adafruit. É bagunçado, mas funciona, por favor não me condenem.

Um circuito precisa ser projetado para ligar o módulo. Ele tem dois pinos, pino RESET e pino PWR_KEY a serem controlados. Uma tensão é aplicada ao PWR_KEY por pelo menos 2s para iniciar o módulo. Para resetar, puxe o pino RESET para GND. Caso contrário, o pino RESET deve ser puxado para 5V. Eu primeiro reseto o módulo, e depois procedo para ligar o módulo para garantir que ele inicie corretamente.

Fonte de Alimentação

A fonte de energia merece uma menção especial aqui (acho?) por causa dos sensores de saída de corrente. Eles requerem um mínimo de 10V para operar, mais alto que nossos amados 5V. Como eu queria demonstrar a capacidade deste sistema de funcionar remotamente, optei por bateria Li-Ion.

2 baterias Li-Ion em série darão 7,4–8,4V, um conversor buck para baixar para 5V para nosso Arduino e módulo A7, outro conversor boost para fornecer um rail de 11V para aqueles sensores de água. Com esta configuração, o sistema não rodará por muito tempo, mas isso não é uma preocupação principal para este protótipo.

A Placa

O sistema é construído em uma placa de protótipo. A placa e o Arduino Genuino 101 encaixam perfeitamente no gabinete.

Gabinete

O professor também deu um gabinete antigo, com furos feitos por alunos anteriores para projetos relacionados aos sensores de água. Maravilhoso!

Note os conectores para os sensores. Encontrei eles presos aos sensores, então procurei por conectores que acasalassem com eles. Encontrei com o código GX16. Eles são muito versáteis e certamente serão úteis em projetos futuros!

Página Web

Finalmente, a parte que me levou semanas para construir do zero. Eu tinha conhecimento zero em servidor, site e durante este projeto aprendi PHP, consultas SQL, JavaScript, CSS e HTML.

Hospedei o site no Microsoft Azure porque eles fornecem um serviço gratuito para estudantes. Vem com limitações, mas é suficiente para esta aplicação.

O banco de dados é fornecido pela ClearDB, em parceria com Azure também. Novamente, limitações de memória, mas suficiente para este projeto.

Os códigos são fornecidos no repositório, mas lembre-se de adicionar suas credenciais no arquivo username_password.php.

O log.php despeja todos os dados recebidos do Arduino no banco de dados.

Então a página web apresenta um Google Map, com marcadores mostrados em locais que têm dados de medição. Os outros arquivos php são todos "ferramentas" para acessar o banco de dados para recuperar os dados.

A resposta do site é bastante lenta, e como eu apenas juntei tudo isso, gostaria de melhorar. Sugestões são muito bem-vindas. :)

Código

Sistema de Monitoramento de Qualidade da Água

Códigos do site em /Website, sketches do Arduino e biblioteca do módulo A7 em /Arduino
https://github.com/JohnHJ01/Water-Quality-Monitoring-System

Esquemáticos

Esquemáticos para o sistema completo