IoT水質センサーシステム - Arduinoベースのリアルタイム監視

必要な部品と材料

Arduino Uno	×1
ジャンパーワイヤー (オス/メス)	×1
HC-05 Bluetoothモジュール	×1
RGB LED (ディフューズド、共通カソード)	×1
抵抗 330Ω	×3
可変抵抗 (汎用)	×1
RGB LCDシールドキット (16x2キャラクターディスプレイ)	×1
抵抗 1kΩ	×1

必要な工具と機器

• ワイヤーストリッパー & カッター (26-14 AWG)

アプリとオンラインサービス

• Arduino IDE
• Ardutooth (Androidアプリ) - Bluetooth経由でデータ表示

プロジェクト概要

水は私たちの生活に不可欠な資源です。その品質を常に把握しておくことは重要です。

TDS (総溶解固形物) とは

TDS (Total Dissolved Solids) は、水中に溶解している固形物の総量を ppm (parts per million) で表したものです。電気伝導率 [S/m] から算出され、伝導率が高いほどTDS値も高くなります。主な水のTDS目安:

• 純水: 80-150 ppm
• 水道水: 250-350 ppm
• 地下水: 500-1000 ppm
• 海水: 約30,000 ppm

WHO (世界保健機関) は飲料水のTDSを300ppm以下と推奨しています。一方、100ppm未満は必須ミネラルが不足し、300ppm以上は「硬水」でミネラル過多とされます。

通常はTDSペンで測定しますが、Arduinoと連携させるには専用のTDSメーターが必要です。このプロジェクトでは、専用メーターを使わずに自作センサーで測定します。

回路構成

Arduino側

• 5Vをブレッドボードの一方の電源レールに接続
• GNDをもう一方の電源レールに接続
• 1kΩ抵抗の一端をGND、もう一端をブレッドボードに接続。ArduinoのアナログピンA0をこの抵抗に接続。さらに、抵抗から伸びたワイヤーと5Vから伸びたワイヤーの先端をワニ口クリップに接続 (これが水に浸す電極になります)

LCDディスプレイ

• VSS → GNDレール
• VDD → 5Vレール
• V0 → 可変抵抗の中央端子 (両端は5VとGND)
• RS → Arduino D7
• R/W → GNDレール
• E → Arduino D8
• D4-D7 → Arduino D10-D13

HC-05 Bluetoothモジュール

• VCC → 5Vレール
• GND → GND
• TX → Arduino D3 (ソフトウェアシリアルのRXとして使用)
• RX → Arduino D2 (ソフトウェアシリアルのTXとして使用)

RGB LED

• 共通カソード (最長ピン) → GND
• 赤 (カソード右隣) → 330Ω抵抗経由でArduino D9 (PWM)
• 緑 (カソード左隣) → 330Ω抵抗経由でArduino D6 (PWM)
• 青 (最左) → 330Ω抵抗経由でArduino D5 (PWM)

自由端子間抵抗の算出原理 (オームの法則)

既知抵抗 R₁=1kΩ と、水に浸した2本のワイヤー間の未知抵抗 R₂ が直列につながっています。Arduino A0ピンにはほぼ電流が流れないため、直列回路とみなせます。

オームの法則 V = IR より、V₁ = IR₁, V₂ = IR₂。直列なので V₁ + V₂ = 5V。したがって V₂ = 5 - V₁。

V₂/V₁ = R₂/R₁ より、R₂ = R₁ × (5-V₁)/V₁。Arduinoのアナログ読み取り値 (0-1023) から V₁ を求め、R₂ を算出します。

動作原理: 抵抗率 → 伝導率 → TDS

抵抗 R = ρ × L / A  →  抵抗率 ρ = R × A / L
伝導率 c = 1/ρ
TDS = c × 7000  (経験的係数)

ここで L は電極間距離 (0.06m)、A は電極断面積 (0.000154 m²) です。

使用ライブラリ

• LiquidCrystal
• SoftwareSerial

Arduino IDEのライブラリマネージャーからもインストール可能です。

スケッチ (水質監視コード)

#include <SoftwareSerial.h>
#include <LiquidCrystal.h>

// Bluetooth用: RX=D3, TX=D2
SoftwareSerial BTserial(3, 2);

float reads;
int pin = A0;
float vOut = 0;
float vIn = 5;
float R1 = 1000;
float R2 = 0;
float buffer = 0;
float TDS;
float R = 0;
float r = 0;
float L = 0.06;
double A = 0.000154;
float C = 0;
float Cm = 0;

int rPin = 9, bPin = 5, gPin = 6;
int rVal = 255, bVal = 255, gVal = 255;

LiquidCrystal lcd(7, 8, 10, 11, 12, 13);

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  BTserial.begin(9600);
  lcd.begin(16, 2);
  pinMode(rPin, OUTPUT);
  pinMode(bPin, OUTPUT);
  pinMode(gPin, OUTPUT);
  pinMode(pin, INPUT);
  lcd.print("Conductivity: ");
}

void loop() {
  reads = analogRead(A0);
  vOut = reads * 5.0 / 1023.0;
  Serial.println(reads);

  buffer = (vIn / vOut) - 1;
  R2 = R1 * buffer;
  Serial.println(R2);
  delay(500);

  // 抵抗率 → 伝導率 → TDS
  r = R2 * A / L;
  C = 1 / r;
  Cm = C * 10;  // mS/cm
  TDS = Cm * 700;

  // LCD表示
  lcd.setCursor(0, 1);
  lcd.print(C);

  // RGB LEDで水質を色表示
  if (reads < 600) {
    if (reads <= 300) setColor(255, 0, 255);  // 紫: 純水に近い
    else if (reads > 200) setColor(200, 0, 255);
  } else {
    if (reads <= 900) setColor(0, 0, 255);    // 青: 水道水レベル
    else if (reads > 700) setColor(0, 255, 255); // シアン: やや高い
  }

  // Bluetoothでスマホアプリ (Ardutooth) に送信
  BTserial.print(C);
  BTserial.print(",");
  BTserial.print(TDS);
  BTserial.print(";");
  delay(500);
}

void setColor(int red, int green, int blue) {
  analogWrite(rPin, 255 - red);
  analogWrite(gPin, 255 - green);
  analogWrite(bPin, 255 - blue);
}

自作センサープローブ

古い試験管を利用しました。両端に穴を開けてワイヤーを通し、パテで固定しています。

回路図