X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Водная беспилотная лаборатория для мониторинга малых водоемов ественного и искусственного происхождения
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В наши дни остро стоит проблема загрязнения водоемов. Это создает опасность для всей экосистемы в целом. Страдают не только представители флоры и фауны, но и человек. Оперативный экологический мониторинг позволяет с большей степенью достоверности определять состояние естественных и искусственных водоемов - источников питьевой воды. В проведении такого мониторинга могут помочь лаборатории, способные определить место источника загрязнения и его тип. Существующие лаборатории чаще всего стационарные, а в полевых условиях проводится только забор проб. Это повышает себестоимость исследований и время их проведения. Соответственно, удешевить и ускорить процесс мониторинга можно, создав водную беспилотную лабораторию для мониторинга малых водоемов естественного и искусственного происхождения. Она будет способна в автономном режиме собирать информацию, обрабатывать и передавать её для дальнейшей статистической обработки [2].
Цель проекта:повысить эффективность и снизить себестоимость мониторинга малых водоёмов естественного и искусственного происхождения за счет создания водной беспилотной лаборатории для мониторинга малых водоемов естественного и искусственного происхождения.
Гипотеза:создание водной беспилотной лаборатории для мониторинга малых водоемов естественного и искусственного происхождения позволит повысить эффективность и снизить себестоимость мониторинга.
Задачи проекта: создать плавучую самоходную платформу для перемещения лаборатории; применить систему спутникового позиционирования; разработать программное обеспечение и Desktop- приложение для автоматизации процесса измерения; разработать канал передачи данных от плавучей самоходной платформы к стационарному операторскому пункту на базе Bluetooth.
Методы конструирования, применённые в проекте:метод обобщения, синтез, анализ, метод наблюдения и сравнения, метод лабораторных и натуральных испытаний.
Практическая значимость проекта:предложен и апробирован метод мониторинга малых естественных и искусственных водоёмов с помощью мобильной лаборатории.
Плавучая самоходная платформа
1.1Плавучая платформа
В качестве плавучей платформы был выбран тримаран. Конструкция тримарана обладает наибольшей устойчивостью к крену, позволяет разместить на палубах большую полезную нагрузку. Тримаран имеет низкую осадку, что позволяет проводить мониторинг мелких водоемов. Длина плавучей платформы составляет 420 мм, ширина 320 мм. Основная палуба занимает всю длину плавучей платформы и имеет ширину 150 мм. Протяженность боковых палуб - 330 мм. Центральная палуба разделена на три уровня. Нулевой уровень находится на дне центрального поплавка. На нулевом уровне закреплены элементы конструкции, имеющие большую массу, это электрические аккумуляторы и емкость с нейтральной жидкостью для обработки датчика PH. Это позволило опустить центр тяжести платформы к ватерлинии, что повышает устойчивость и управляемость. Над нулевым уровнем на высоте 35 мм располагается палуба среднего уровня. Палуба среднего уровня несет оборудование для навигации: контроллер “Ardupilot приемник радиосигнала. Верхняя палуба находится на высоте 60 мм над нижней палубой. На ней расположены аппаратная плата “Arduino”, усилители сигнала для датчиков и Bluetooth- модуль. В борта центрального поплавка на уровне средней палубы несут сервоприводы для управления положением датчиков мутности и PH в пространстве. На центральной палубе закреплены датчик температуры воды и форсунка для очистки PH- датчика. Внешний вид плавучей платформы представлен на рисунке № 1.
Рисунок № 1. Фото плавучей самоходной платформы.
1.2 Выбор двигателей и движителя системы
Бесколлекторные двигатели имеют высокий КПД и маленькую массу по сравнению с коллекторными двигателями. Бесколлекторные двигатели не создают радиопомех, их можно эксплуатировать при высокой влажности. Двигатели размещены в силовых установках, которые расположены на боковых поплавках плавучей платформы и обеспечивают её маневренность по курсу. Изменение курса происходит за счет изменения скорости вращения одного из маршевых двигателей. Для нашей платформы были выбраны двигатели модели RS2205 2300 kv. Каждый двигатель сообщает максимальную тягу 1024 грамма. Максимальная мощность двигателей- 370 ватт. Рабочее напряжение находится в пределах от 11.1 до 14.8 вольт.Движителями плавучей платформы были выбраны трехлопастные винты диаметром 5 дюймов (124 мм) и шагом 90 мм с углом атаки 20° [3], обеспечивающие оптимальную нагрузку для двигателей RS2205 2300 kv. Момент на закручивание компенсируется правым и левым вращением винтов силовых установок.
1.3 Система управления плавучей платформы
Управление силовой установкой обеспечивает контроллер“Ardupilot”. К нему подключены два регулятора оборотов для бесколлекторных двигателей, модуль GPS, радиоприемник, блок телеметрии и модуль для преобразования электрического напряжения. “Ardupilot” полностью соответствует нашим требованиям, поддерживает работу со спутниковой системой позиционирования. Данная система позволяет управлять передвижением платформы двумя способами: ручным и с помощью составления маршрута на карте. Сам контроллер соединен с “Arduino” кабелем, что позволяет передавать лаборатории данные о местоположении (координаты, получаемые с GPS модуля) и также информацию о том, что платформа закончила передвижение для запуска исследования. Питание всей системы осуществляется литий - полимерным аккумулятором емкостью 1600 мА·ч.
Спутниковая система позиционирования плавучей платформы на базе “Ardupilot”
2.1Структурная схема “Ardupilot”
Управление силовой установкой нашей платформы осуществляет микроконтроллер “Ardupilot” версии 2.8. К нему подключены два регулятора оборотов, радио - приемник, устройство телеметрии, GPS- модуль и модуль преобразования электрического напряжения. Система управления получает питание от литий – полимерного аккумулятора емкостью 1600 мА*ч. Предусмотрена возможность управления передвижением платформы как ручным способом от пульта управления, так и с помощью составления маршрута на карте. Структурная схема “Ardupilot” представлена на рисунке № 2.
Рисунок № 2. Структурная схема «Ardupilot».
2.2Программное обеспечение “Ardupilot”
Программным обеспечением для нашей системы управления является прошивка “Ardurover” версии 2.5.1. Эта прошивка позволяет планировать траекторию маршрута для водных судов с двумя двигателями [4].
2.3 Реализация создания траектории движения
Создание траектории происходит в программе “Mission Planner”. Соединение компьютера и беспилотной лаборатории обеспечивает комплект телеметрии. После настройки системы управления “Ardupilot” может отправлять данные о своем местоположении и принимать команды от “Mission Planer”. Траектория создается путем отметки точек маршрута на карте, которая интегрирована в программу. Такой способ управления платформой позволяет продумать эффективный маршрут для качественного проведения мониторинга. Интерфейс “Mission Planner” представлен на рисунке № 3.
Рисунок № 3. Интерфейс программы “Mission Planner”.
3.0 Измерительная лаборатория контроля качества воды
3.1 Схема лаборатории качества воды
Структурная схема лаборатории контроля качества воды представлена на рисунке № 4.
Датчик PH
Значение PH является одним из главных показателей для водоема. Он определяет величину концентрации ионов водорода. От данной концентрации зависят все химические и биологические процессы в водоеме, потому что у большинства живых организмов нет переносимости резких изменений уровня PH, поэтому необходимо проводить мониторинг его уровня. Это позволяет осуществлять датчик PH.
Это датчик, который позволяет определить показатель PH жидкости. Он состоит из комбинированного электрода, который включает в себя измерительный и сравнительный электрод, и усилительного модуля.
Принцип работы датчика:
В основу работы PH датчика заложен ионометрический метод измерения PH. Данный метод заключается в измерении электродвижущей силы гальванической цепи, включающей специальный стеклянный электрод, потенциал которого зависит от концентрации ионов водорода [H+] в растворе [5].
При измерении PH нейтральной жидкости, выходное напряжение у усилительного модуля, к которому подключен сам датчик, равно 0 мВ. Значит, выходное напряжение усилительного модуля изменяется в диапазоне от 414,12 до -414,4 мВ (отрицательное напряжение - это напряжение противоположной полярности), значение PH изменяется в диапазоне от 0 до 14. Изменение уровня PH раствора на 1 приводит к изменению напряжения на выходе усилительного модуля на 59,16 мВ. В таблице № 1 приведено соответствие выходного напряжения с платы усиления и значенияPH раствора.
|
Значение PH |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
Выходное напряжение датчика, мВ |
414,12 |
354,96 |
295,8 |
236,64 |
177,48 |
118,32 |
59,16 |
0 |
|
Значение PH |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
|
|
Выходное напряжение датчика, мВ |
-59,16 |
-118,32 |
-177,48 |
-236,64 |
-295,8 |
-354,96 |
-414,12 |
Таблица № 1. Соответствие выходного напряжения с платы усиления и значения
PH раствора.
После измерения датчиком в аналогово - цировой преобразователь попадает цифровое значение, которое преобразуется в показатель PH жидкости. Расчет происходит программно по формуле (1):
, (1)
где ADC- значение полученное с аналогово – цифрового преобразователя, A- изменение выходного напряжения на единицу PH (мВ). График зависимости значения PH от выходного напряжения представлен на рисунке № 7.
Рисунок № 7. График зависимости значения PH от выходного напряжения.
Датчик мутности воды
Степень мутности воды- показатель от которого зависит количество света попадаемого в водоем. Причиной мутности воды может служить загрязнение вод и повышение количетсва неорганических соединений, что негативно сказыввается на флоре и фауне. Мутная вода является благоприятной средой для развития опасных болезнетворных бактерий. Измерение мутности воды является важным элементом контроля при проведении широкого спектра работ, начиная от экологического мониторинга и контроля состояния фильтров и заканчивая хозяйствами по разведению рыбы.
Принцип работы датчика:
Принцип действия датчика мутности основан на улавливании рассеянного инфракрасного излучения, интенсивность которого зависит от количества взвесей в воде. Датчик состоит одного фотодиода и светодиода [6]. Значение выходного напряжения в виде аналогового сигнала попадает в аналогово-цифровой преобразователь. Далее мутность воды рассчитывается по формуле (2):
, (2)
где V – аналоговое значение, соответствующее выходному напряжению.
Датчики температуры
Для нашей лаборатории мы выбрали датчик температуры воды DS18B20 и датчик температуры воздуха DHT11. Благодаря значениям, полученным с этих датчиков, мы можем отслеживать разность температуры воздуха и воды. Данный показатель очень важен и может свидетельствовать о наличии загрязнений, которые могут нанести огромный ущерб экосистеме водоема.
Значения с этих датчиков попадают на “Arduino” в виде аналогового сигнала.
Bluetooth – модуль
Связь нашей лаборатории и стационарного компьютера обеспечивает Bluetooth- модуль “НC – 06”. Данный модуль осуществляет беспроводную передачу данных на компьютер без дополнительных модулей телеметрии. Это значит, что любой персональный компьютер, поддерживающий протокол Bluetooth, может взаимодействовать с лабораторией. Протокол Bluetooth 5.0 поддерживает передачу данных на расстояние 400 метров. Все данные, полученные после проведения измерений, будут отправляться на компьютер для считывания с последовательного порта, который будет выбираться в desktop- приложении [7]. Благодаря данному модулю “Arduino” сможет как отправлять данные, полученные с датчиков, так и получать команду о конце и начале исследования из приложения.
Рисунок № 4. Схема лаборатории контроля качества воды.
3.2 Программа работы лаборатории
Основная программа представляет собой цикл, который осуществляет постоянную проверку. Если с компьютера приходит команда, запускается процедура измерения, которая включает в себя несколько последовательных операций [8]:
Изменение положения датчиков;
Выполнение процедуры каждого датчика (PH, температуры воды, температуры воздуха и мутности воды);
Очистка датчика PH;
Формирование строковой переменной, хранящей результаты единичного измерения;
Далее происходит передача данных в приложение.
Процедура каждого датчика включает в себя получение значения напряжения с аналогового выхода и дальнейшее преобразование в необходимую величину по формуле.
3.3 Desktop- приложение
На данный момент разработано приложение на языке Python c использованием PyQt5 для ОС Windows. Приложение написано в стиле Объектно-ориентированного программирования. Благодаря ему можно взаимодействовать с мобильной лабораторией, сохранять результаты измерений, формировать подробный отчет и работать с картой [9].
Описание работы:
Работа приложения разделена на два потока, графический поток является главным. Он отвечает за обновление графического интерфейса приложения и взаимодействие с пользователем. Главный поток запускается вместе с приложением. Второй поток взаимодействует с последовательным портом: считывает и отправляет информацию.
Приложение работает в 3 - x режимах: «исследование», «результаты», «карта».
Режим «исследование» позволяет получать информацию о показателях датчиков, погодных условиях и сохранять их для последующего использования. Режим «результаты» дает возможность изучить информацию, полученную с предыдущих измерений, а «карта»- места [9], в которых они производились.
Графический интерфейс приложения представлен на рисунке № 5.
Рисунок № 5. Графический интерфейс приложения.
Заключение
В ходе проекта нами была создана первая версия мобильной лаборатории и приложения, разработан канал передачи данных от плавучей самоходной платформы к стационарному операторскому пункту на базе Bluetooth. Одна такая мобильная лаборатория способна проводить мониторинг целого водоема, в то время, как статические лаборатории могут заниматься мониторингом только малой ее части.
Цель проекта – достигнута.
Гипотеза – нашла своё практическое подтверждение.
Задачи проекта – выполнены полностью.
Список литературы
Учебный центр Крисмас+ [Электронный ресурс]. URL: https://u-center.info/libraryschoolboy/researchwater/rabota-10-099
Коробкин, В. Экология и охрана окружающей среды: книга однотомная / В. Коробкин, К. Передельский - М.: Кнорус , 2019
Студопедия [Электронный ресурс]. URL: https://studopedia.su/16_22038_skorost-dvizheniya-i-ugol-ataki-elementa-lopasti-vinta.html
Ardupilot Firmware [Электронный ресурс]. URL: http://firmware.ardupilot.org/Rover/
IArduino [Электронный ресурс]. URL: https://iarduino.ru/shop/Sensory-Datchiki/datchik-kislotnosti-zhidkosti-rn-metr
Datchiki.com [Электронный ресурс]. URL: https://datchiki.com/izmerenie-mutnosti-vody/
Хабр [Электронный ресурс ]. URL: https://habr.com/ru/post/443326/
Блум, Д. Изучаем Ардуино: учебное пособие / Д. Блум - М.: БХВ- Петербург, 2018
Дронов, Н. Python 3 и PyQt 5 Разработка приложений: учебное пособие / Н. Дронов, В. Прохоренок - М.: БХВ- Петербург, 2017