Мобильная платформа для обнаружения источников рассеянного загрязнения малых водоемов

XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Мобильная платформа для обнаружения источников рассеянного загрязнения малых водоемов

Миннемуллин К.И. 1
1МБУДО "Центр детского творчества"Галактика"
Федотов В.Л. 1
1МБУДО ЦДТ "Галактика"
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

1.Введение

Вода занимает особое положение среди природных богатств Земли. Известный русский и советский геолог академик А. П. Карпинский говорил, что нет более драгоценного ископаемого, чем вода, без которой жизнь невозможна.

Огромное значение вода имеет в промышленном и сельскохозяйственном производстве. Общеизвестна необходимость ее для бытовых потребностей человека, всех растений и животных. Для многих живых существ она служит средой обитания.

Под загрязнением водных ресурсов понимают любые изменения физических, химических и биологических свойств воды в водоемах в связи со сбрасыванием в них жидких, твердых и газообразных веществ, которые причиняют или могут создать неудобства, делая воду данных водоемов опасной для использования, нанося ущерб народному хозяйству, здоровью и безопасности населения. Источниками загрязнения признаются объекты, с которых осуществляется сброс или иное поступление в водные объекты вредных веществ, ухудшающих качество поверхностных вод, ограничивающих их использование, а также негативно влияющих на состояние дна и береговых водных объектов.

Загрязнение воды является достаточно мощной проблемой, чтобы поставить мир на грань разрушения. Вода является легким растворителем, позволяющим большинству загрязняющих веществ легко растворяться в ней и загрязнять ее. В первую очередь непосредственно страдают организмы и растительность, для которых вода являются средой обитания. Во вторую – люди, которыми прямо или опосредованно контактируют с зараженными источниками воды.

Загрязнители поступают из точечных или рассредоточенных источников. Точечным источником является труба или канал, например, используемые для сброса с промышленного объекта или городской канализации.

Рассеянный (или неточечный) – это виды загрязнения воды, под которыми подразумевается очень широкая, неограниченная область, откуда в водоем попадают различные загрязнители, такие как стоки с сельскохозяйственной территории.

Точечные источники загрязнения воды легче контролировать, чем рассеянные, потому что загрязненная вода собирается и поступает в одну единственную точку, где ее можно очистить. Загрязнение из рассеянных источников трудно контролировать, и, несмотря на значительный прогресс в строительстве современных очистных сооружений, рассеянные источники продолжают оставаться существенной проблемой.

1.1.Актуальность решаемой проблемы

Проблемы при исследовании рассеянного загрязнения малых водоемов.

Несмотря на то, что малые водоемы могут казаться незначительными и незаметными, они играют важную роль в экосистеме и могут быть очень чувствительными к загрязнению. Вот некоторые из проблем, которые могут возникнуть при исследовании рассеянного загрязнения малых водоемов:

1.Ограниченный доступ к водоемам. Многие малые водоемы находятся в отдаленных и труднодоступных местах, что может затруднить доступ к ним для ученых и оборудования. Это может создавать проблемы при сборе образцов воды и данных для анализа.

2.Неравномерное распределение загрязнений. Рассеянное загрязнение может быть неравномерно распределено в малых водоемах, что может затруднить определение уровня загрязнения и его источника.

3.Сложность анализа образцов. Малые водоемы могут содержать множество различных химических веществ, что может создавать сложности при анализе образцов воды на наличие загрязнений. Также могут возникать проблемы с выбором правильных методов анализа и тестирования, так как многие из них могут не быть применимыми для малых водоемов.

4.Изменчивость условий водной среды. Малые водоемы могут быть очень чувствительными к изменениям в условиях водной среды, таким как температура, освещенность и погодные условия. Это может сделать трудным идентификацию пиковых значений загрязнений.

5.Ограниченность данных. Из-за отдаленного расположения малых водоемов и ограниченных ресурсов для исследований, данные о рассеянном загрязнении в этих водоемах могут быть недостаточными для получения полной картины состояния окружающей среды и ее изменений со временем.

В целом, исследование рассеянного загрязнениямалых водоемов является сложным и многогранным процессом, который требует серьезного подхода и научной экспертизы. Для успешного проведения исследований рассеянного загрязнения малых водоемов необходимо учитывать множество факторов, таких как географическое положение, климатические условия, гидрологические характеристики водоема, а также соседние территории и населенные пункты.

Важно также учитывать, что рассеянное загрязнение может быть вызвано множеством различных источников, включая промышленность, сельское хозяйство, бытовые отходы и транспортные средства. Поэтому, для более эффективного контроля и управления рассеянным загрязнением, необходима комплексная стратегия, включающая мониторинг, анализ и управление различных аспектов загрязнения.

Целью настоящей работы является разработка и изготовление дистанционно управляемой плавающей платформы с набором датчиков по определению качества водной среды и передачей полученной информации в режиме реального времени на принимающие устройства поWi-Fi.

В процессе выполнения проектной работы решались следующие задачи:

1.Выбор типа плавающей платформы, разработка конструкции и изготовление действующего макета.

2.Установка и настройка системы дистанционного управления платформой.

3.Подбор датчиков для анализа характеристик загрязнения водной среды.

4.Разработка алгоритма передачи данных с датчиков на приемные устройства.

5. Выбор электронных компонентов модуля передачи данных, их монтаж и настройка.

6.Составление кода программы передачи данных с датчиков по Wi-Fi на мобильные устройства.

1.2.Методы измерения загрязнения водных сред

В гидробиологической и гидрохимической литературе для оценки качества воды водоемов и водотоков, подверженных антропогенному воздействию, разработано множество методов: химических, биологических, физических (органолептических), бактериологических и радиационных [1].

Качество воды природных источников определяют по наличию в ней веществ неорганического и органического происхождения, а также микроорганизмов и характеризуют различными физическими, химическими, бактериологическими и биологическими показателями.

Существует множество классификаций загрязняющих веществ, но основная с точки зрения идентификации загрязнений – по химическому, физическому, биологическому составу [2]. Классификацию вод по физическим загрязнениям проводят для следующих показателей – температура, запах, вкус, мутность, цветность, электропроводимость.

Химическими показателями качества воды являются общее количество растворенных веществ или сухой остаток, активная реакция или рН воды, окисляемость, щелочность, наличие азотсодержащих соединений, хлоридов, сульфатов, железа, марганца, кальция и др.

Физико-химические методы оценки загрязнения воды, как правило, включают в себя электрохимические и хроматографические методы. Электрохимические методы анализа представлены методами без протекания электродной реакции и методами, основанными на протекании электродной реакции в отсутствии тока и под действием тока[3].

В основе электрохимических методов анализа и исследования лежат процессы, протекающие на электродах или в межэлектродном пространстве. Известны две разновидности электрохимических методов: без протекания электродной реакции (кондуктометрия) и основанные на электродных реакциях — в отсутствие тока (потенциометрия) или под током (вольтамперометрия, кулонометрия, электрогравиметрия). Все электрохимические измерения проводятся с использованием электрохимической ячейки - раствора, в который погружены электроды. На электродах происходят различные физические и химические процессы, о степени протекания которых можно судить путем измерения напряжения, силы тока, электрического сопротивления, электрического заряда, подвижности заряженных частиц в электрическом поле. Преимуществами физических и химических методов являются: определение физических и химических характеристик в определенный момент времени и их взаимодействии между собой; высокая точность данных; маленькая погрешность. Способы этой группы позволяют более достоверно выявлять распределение в окружающей среде загрязняющих компонентов и контролировать ореолы загрязнения.

1.3.Показатели качества воды

1.3.1. Температура водной среды

К одной из экологических проблем следует отнести тепловое загрязнение природныхводоемов, особенно при сбросе сточных вод от предприятий или теплоносителя отэлектростанций. Повышение температуры на 5 °С ведет выделению ядовитых газов(метан или сероводород), размножениюанаэробных бактерий и постепенномусокращению численностипресноводных рыб из-за гибели икры. Поэтому одним изважных параметров мониторинга является исследование температуры природныхводоемов.

В проекте использован температурный датчикDS18B20.

Основной задачей DS18B20 является определение температуры и преобразование полученного результата в цифровой вид.

1.3.2.Концентрация минеральных веществ

Содержание растворимых минеральных веществ в пресных водоемах - это основной фактор, лимитирующий развитие фитопланктонных организмов и макрофитов. Этот параметр зависит от состава грунтовых вод, питающих озера, или определяется притоками рек. Для растительных организмов наибольшее значение имеют соединения азота и фосфора.

Провести прямое измерение концентрации растворимых минеральных веществ в водопроводной воде или природном водоеме достаточно сложно. Поэтому часто используют косвенные измерения электропроводности воды [4].

Электропроводность, или электрическая проводимость среды, - способность среды проводить электрический ток. Электропроводность измеряется в См/см («Сименсах на смi). Значения электропроводности колеблются от 3 и менее мкСм/см (для дистиллированной воды) до 42000 мкСм/см (для морской воды). Ряд усредненных значений электропроводности природных вод приведен в табл. 1. Значения электропроводности в пресных водоемах значительно меньше, чем в морских, и определяются, преимущественно, не поваренной солью, а большим набором минеральных соединений.

 

Табл. 1. Усредненные значения электропроводности природных вод

Типы вод

Электропроводность, мкСм/см

Дистиллированная вода

<5

Дождевая вода

35 - 100

Речная вода

<1000

Озерная вода

ок. 300

Морская вода

42000

Для измерения электропроводности применяется датчик электропроводности (рис. 1).

 

Рис.1. Внешний вид датчика для измерения электропроводности.


Общее содержание солей в природных водах оценивают методом прямой кондуктометрии, измеряя удельную электропроводность воды (электропроводность в пересчете на 1 л воды) - величину, обратную удельному электрическому сопротивлению. Чем выше общее содержание солей - сильных и средних электролитов - в воде, тем выше будет удельная электропроводность образца. В качестве эталона используют 0,001 - 0,1 М растворы KCl, для которых измеряют удельную электропроводность при постоянной температуре. «Реперной точкой» для калибровки кондуктометра выбирают 0,01 М раствор KCl, удельная электропроводность которого составляет от 1220 мкСм (микросименс) при 18 °С до 1450 мкСм при 25 °С. Повышение температуры на 1 °С увеличивает электропроводность на 2 - 4 %. Общую соленость пробы воды оценивают, сравнивая данные по электропроводности, полученные при такой же температуре и в таком же объеме пробы, с результатами для растворов хлорида калия.

 

Для пересчета электропроводности в концентрацию растворимых минеральных веществ необходимо использование калибровочной кривой. Вариант кривой приведен на рис. 2. Однако такой метод не позволяет выяснить, сколько и каких именно солей содержится в водной пробе. В общую соленость воды вносят вклад такие электролиты, как карбонаты и гидрокарбонаты натрия, сульфаты, хлориды и нитраты натрия и калия, соляная, азотная, фосфорная и серная кислоты, гидроксиды щелочных металлов и аммиак. Для определения их содержания необходимо применять более селективные методы.

Рис. 2. Зависимость удельной электропроводности воды от общего содержаниярастворимых минеральных солей .

 

1.3.3.Кислотность (pH)

 

Кислотность среды - показатель обратно пропорциональный водородному потенциалу - рН. рН-метр измеряет рН в условных единицах, представляющих модуль десятичного логарифма водородного потенциала. Нейтральной среде соответствует концентрация ионов водорода [H+] = 10 (соответственно, рН 7). При большей концентрации ионов водорода (например, 10 6) наблюдается кислые условия среды (соответственно, рН 6), при меньшей концентрации ионов водорода (например, 10 ) наблюдается щелочные условия среды (соответственно, рН 8).

Сточные воды от сельскохозяйственных (животноводческих) угодий или от городского коммунального хозяйства загрязняют природные воды фекалиями, что приводит к повышению рН воды выше допустимого за счет попадания аммиака. Снижение рН (сдвиг равновесия в более кислую область) в водоемах происходит в результате выпадения «кислотных» дождей или непосредственного поглощения оксидов азота и серы из воздуха.

Изменение рН воды за пределами 5,5 - 7,0, как в кислую, так и в щелочную область, обычно нарушает экосистему водоема и приводит к исчезновению микроорганизмов, а затем и вымиранию рыб, земноводных, ряда видов ракообразных и моллюсков. Для точного измерения кислотности применяют рН-метры (иономеры, потенциометры) - приборы, основанные на измерении ЭДС раствора, автоматически пересчитывающие потенциал в единицы рН (рис. 20). Точность измерений цифрового рН-метра составляет 0,02 - 0,05 ед. рН Естественные колебания температуры окружающей среды, влияющие на величину рН, позволяет компенсировать специальный температурный датчик, встроенный в электрод.

Рис. 2. Внешний вид датчика рН

1.3.4.Концентрация хлорид-ионов

Почти все природные воды, дождевая вода, сточные воды содержат хлорид-ионы. Их концентрации меняются в широких пределах от нескольких миллиграммов на литр до довольно высоких концентраций в морской воде. Присутствие хлоридов объясняется присутствием в породах наиболее распространенной на Земле соли - хлорида натрия. Повышенное содержание хлоридов объясняется загрязнением водоема сточными водами и применением хлорида калия в качестве антигололедного реагента

Концентрация хлорид-ионов может служить показателем общей солености пробы. Для измерения концентрации хлорид-ионов используется селективный электрод и «Датчик переходник для электродов» (рис. 3).

Рис. 3. Внешний вид селективного электрода и датчика переходник для электродов

2.Основная часть

i

2.1.Описание конструкции мобильной платформы

Плавающее средство построено по схеме катамарана. В носовой части располагаются измерительные датчики. Далее по корпусу судна установлены адаптеры датчиков, приемо-передающий модульWi-Fi, аккумулятор. В кормовой части расположен приемник радиоуправления, антенна и два электромотора. Маневрирование катамарана по водной поверхности происходит за счет изменения оборотов электромоторов с пульта управления. Управление судном осуществляется на частоте 40 мГц, а передача информации по Wi-Fiна частоте 2,4 гГц, что исключает возможность помех при управлении судном и получении полезной информации.

Элементы конструкции катамарана спроектированы в графическом редактореCorelDrawи вырезаны на лазерном станке. После склейки деталей внутренние полости корпуса судна залиты монтажной пеной. Снаружи корпус катамарана покрыт грунтовкой и окрашен водостойкой эмалью.

Рис.4.Корпус катамарана

Рис.5. Конструкция платформы в сборе

2.2.Технология передачи данных на мобильные устройства

В проекте применена следующая технология передачи данных с датчиков на мобильные устройства с использованием ESP8266 и MQTT брокера:

1.Сбор данных:

Датчики собирают данные о состоянии водной среды и передают их на ESP8266.

2.Подключение ESP8266 к Wi-Fi:

ESP8266 подключается к Wi-Fi и получает доступ к Интернету.

3.Подключение к MQTT брокеру:

ESP8266 подключается к MQTT брокеру и подписывается на топики, которые будут использоваться для передачи данных.

4.Отправка данных на MQTT брокер:

ESP8266 отправляет данные на MQTT брокер, используя топик, на который он подписался.

5.Получение данных на мобильном устройстве:

Мобильное устройство подключается к MQTT брокеру и получает данные с помощью топика, который был использован для отправки данных ESP8266.

6.Обработка и отображение данных:

Полученные данные обрабатываются на мобильном устройстве и отображаются в удобном для пользователя виде.

Рис.6. Схема передачи данных с датчиков на мобильные устройства

Принцип работа протокола MQTT

MQTT – это "легкий" (малозатратный) протокол передачи сообщений, использующий модель издатель/подписчик (publish/subscribe) и позволяющий осуществлять передачу сообщений между множественными устройствами. Также с помощью протокола MQTT можно передавать/принимать данные и управлять различными устройствами, например, считывать информацию с датчиков. Он разработан с учетом протокола TCP, поэтому он работает существенно быстрее чем протоколы подобные HTTP. К его достоинствам можно отнести крайне низкие требования к ресурсам, малый объемом используемой памяти устройств и встроенный устойчивый протокол обеспечения безопасности. Благодаря этим достоинствам протокол MQTT получил широкое распространение в современном мире [5].

В приложении 2 приведен полный код программы (скетча) для передачи данных с датчика электропроводности.

Апробация работы системы проводилась на калибровочных растворах.

В качестве эталона был использован 0,1 М раствор KCl, для которого измерялась удельная электропроводность при постоянной температуре. Общую соленость пробы воды оценивали, сравнивая данные по электропроводности, полученные при такой же температуре и в таком же объеме пробы, с результатами для растворов хлорида калия.

Уверенный прием данных с датчиков на мобильный телефон c использованием приложения MQTTDash наблюдался на расстоянии около 100 м от передающей платформы.

Работы проводились в период с сентября 2022г. по март 2023г. Натурные испытания планируется провести весной 2023 года после таяния ледового покрова водоемов.

3.Заключение

3.1.Разработана и изготовлена действующая модель дистанционно управляемой плавающей платформы с набором датчиков по определению качества водной среды и передачей полученной информации в режиме реального времени на принимающие устройства поWi-Fi.

3.2. Получены положительные результаты проверки работоспособности в лабораторных условиях.

3.3. Планируется практическое применение разработанного устройства для обнаружения источников рассеянного загрязнения малых водоемов своего региона.

4.Cписок использованных источников и литературы

https://coralreef-aqua.ru/metody-izmereniya-zagryazneniya-voda/

https://monographies.ru/ru/book/section?id=2250

https://gorbibl.gomel.by/templates/ggcbs/images/ecology/4221.pdf

Методические рекомендации по созданию сети школьного экологического мониторинга.

https://mon.tatarstan.ru/rus/file/pub/pub_118720.pdf

5.https://microkontroller.ru/esp8266-projects/podklyuchenie-nodemcu-esp8266- k-mqtt-brokeru-s-pomoshhyu-arduino-ide/

5.Приложения

Приложение1.Внешний вид с пультом управления

Приложение 2.Код программы (скетча) для передачи данных с датчика электропроводности.

#include <Wire.h>

#include <Adafruit_ADS1015.h>

#include <ESP8266WiFi.h>

#include <PubSubClient.h>

const char* ssid = "Redmi Note 10S";

const char* password = "nezcrk3mi3742hb";

const char* mqtt_server = "mqtt.pi40.ru";

const int mqtt_port = 1883;

const char* mqtt_user = "test6473";

const char* mqtt_password = "AFUVXjktx123";

Adafruit_ADS1115 ads(0x48);

float voltage;

float conductivity;

const char* conductivity_topic = "test6473/conductivity";

const unsigned long send_interval = 5000;

WiFiClient espClient;

PubSubClient client(espClient);

unsigned long last_send_time = 0;

void setup() {

Serial.begin(115200);

WiFi.begin(ssid, password);

while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {

delay(1000);

Serial.println("Connecting to WiFi...");

}

Serial.println("Connected to WiFi");

client.setServer(mqtt_server, mqtt_port);

while (!client.connected()) {

if (client.connect("esp_we12", mqtt_user, mqtt_password)) {

Serial.println("Connected to MQTT broker");

} else {

Serial.println("Failed to connect to MQTT broker");

delay(1000);

}

}

ads.setGain(GAIN_TWOTHIRDS);

Serial.println("Setup complete");

}

void loop() {

int16_t adc0;

adc0 = ads.readADC_SingleEnded(0);

voltage = adc0 * 0.1875 / 1000;

conductivity = voltage * 50;

unsigned long current_time = millis();

if (current_time - last_send_time >= send_interval) {

char conductivity_str[10];

dtostrf(conductivity, 5, 2, conductivity_str);

client.publish(conductivity_topic, conductivity_str);

last_send_time = current_time;

}

delay(1000);

}

Просмотров работы: 38