XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Мобильная платформа для обнаружения источников рассеянного загрязнения малых водоемов
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
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);
}