Arduino & GPRS/GPS搭載 リアルタイム水質監視システム

コンポーネントと用品

Arduino UNO	×	1
A7 GPRS/GPSモジュール	×	1
水質センサー	×	1

必要な工具と機械

• はんだごて（汎用）

アプリとオンラインサービス

• Microsoft Azure
• Arduino IDE

このプロジェクトについて

はじめに

2016年9月、汚染水が浄水場に流入したため、浄水場を閉鎖せざるを得なくなりました。水道会社は汚染源を特定できず、深刻な給水障害を引き起こしました。

大学の授業で、地域の課題を解決するシステムを構築することが求められました。自動水質監視システムがあれば、汚染源の特定が容易になります！

システム概要

4つのセンサーをArduino Genuino 101に接続。すべて電流出力型センサーのため、インターフェース回路が必要です。Arduino Genuino 101が定期的に測定データを収集し、GPS座標を取得、GPRSデータリンクでデータバンドルをデータベースにアップロードします。ユーザーはWebサイトで結果を確認できます。

センサープローブ

3つの電流出力センサーはGlobal Water製で、指導教員から提供されました。このプロジェクトでは温度、pH、溶存酸素濃度センサーを使用しています。残念ながら、溶存酸素濃度センサーは故障していました。

もう一つのセンサーは濁度センサーで、水中の浮遊固形粒子の量に比例した電圧レベルを出力します。

センサーとArduinoのインターフェース

抵抗で電流出力を測定可能な電圧レベルに変換します。

A7 GPRS/GPSモジュール

このA7モジュールを選んだ理由は、SIM900より比較的安価で、GPRSとGPSが単一パッケージに統合されているからです！

しかし、安さには代償があります。第一に、モジュール付属のGPSアンテナは実際のGPSアンテナではなく、別途購入が必要です。第二に、デフォルトで115200bpsのUART通信のみサポートし、ソフトウェアでボーレートを変更しても電源サイクル後にはデフォルトに戻り、Software Serialでの115200bpsは非常に不安定です。この問題で2日間悩みました。その後、Arduinoコードにボーレート変更機能を実装しました。

また、これは新しいモジュールなので、独自のライブラリを作る必要がありました。ソースコードはSIM900やAdafruit GPSモジュールなど様々なところから集めました。コードは汚いですが動きます、責めないでください。

モジュールを起動するための回路設計が必要です。RESETピンとPWR_KEYピンの2つを制御します。PWR_KEYに少なくとも2秒間電圧を印加してモジュールを起動。リセットするにはRESETピンをGNDにプルダウン。それ以外ではRESETピンを5Vにプルアップしておく必要があります。まずリセットし、その後電源投入することで確実に起動させています。

電源

電源について特別言及しておきます（重要だと思うので）。電流出力センサーは最低10Vで動作するため、我々が愛する5Vより高い電圧が必要です。このシステムがリモートで動作することを示したかったので、リチウムイオン電池を採用しました。

リチウムイオン電池2個を直列接続で7.4-8.4V、一方の昇圧コンバーターで5V（ArduinoとA7モジュール用）、もう一方の昇圧コンバーターで11V（水質センサー用）の電源レールを作りました。このセットアップでは長時間動作はできませんが、プロトタイプとしては主眼ではありません。

基板

システムはユニバーサル基板上に構築しました。基板とArduino Genuino 101はケースにきれいに収まります。

ケース

指導教員から古いケースをもらいました。以前の学生たちが水質センサー関連のプロジェクトで穴を開けていたものです。ラッキー！

センサーへのコネクターに注目。センサーに付属していたコネクターに合うものを探しました。GX16というコードのコネクターを見つけました。非常に汎用性が高く、今後のプロジェクトでもきっと役立ちます！

Webページ

最後に、スクラッチから構築するのに数週間かかった部分です。サーバー、Webサイトについてゼロ知識から、このプロジェクトを通じてPHP、SQLクエリ、JavaScript、CSS、HTMLを学びました。

WebサイトはMicrosoft Azureでホスティングしました。学生向けに無料サービスを提供しているためです。制限はありますが、このアプリケーションには十分です。

データベースはClearDBが提供、Azureとのパートナーシップで利用可能。こちらもメモリ制限ありますが、このプロジェクトには十分です。

コードはリポジトリにありますが、username_password.phpファイルに認証情報を追加することを忘れずに。

log.phpがArduinoから受信したすべてのデータをデータベースに書き込みます。

WebページではGoogle Mapを表示し、測定データがある場所にマーカーを表示します。他のPHPファイルはすべてデータベースアクセスのための「ツール」です。

Webサイトのレスポンスはかなり遅いですし、全部ハックで繋ぎ合わせたので改善したいと思っています。提案大歓迎です！

コード

Water Quality Monitoring System（GitHub）
Webサイトコードは/Website、ArduinoスケッチとA7モジュールライブラリは/Arduinoにあります。

回路図

システム全体の回路図