謝作如 涂郁瀟穎

隨著城市的發(fā)展，水資源問題越來越成為我們關(guān)注的焦點(diǎn)，洞庭湖藍(lán)藻事件、造紙廠偷排污水、建筑工地偷排泥漿……這些事件無一不牽動(dòng)著人們的心。因?yàn)閷W(xué)校身處三垟濕地旁，我們?cè)啻伟l(fā)現(xiàn)河水被排放的建筑泥漿污染，渾濁不堪。據(jù)說不良企業(yè)甚至?xí)褂么辉谝估锿低蹬欧拍酀{，環(huán)保部門的確難以管理。

通過互聯(lián)網(wǎng)搜索，我們發(fā)現(xiàn)如今的河水濁度監(jiān)測設(shè)備動(dòng)輒過萬，而且水質(zhì)監(jiān)測一般以實(shí)驗(yàn)室檢測為主，但這種人工采集的形式不能實(shí)時(shí)了解水質(zhì)信息，難以防范不法分子的行為。能否利用網(wǎng)絡(luò)，在濕地區(qū)域選擇多個(gè)無人監(jiān)測點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測河水的渾濁度？

● 濁度傳感器的設(shè)計(jì)

要監(jiān)測河水濁度，首先需要河水濁度的傳感器。在淘寶上能找到的濁度傳感器，要么是數(shù)千元，甚至上萬元的傳感器探頭，要么是數(shù)十元的洗衣機(jī)、洗碗機(jī)專用的污水傳感器，如圖1所示。

通過文獻(xiàn)查找，水質(zhì)濁度檢查一般都使用超聲，測量超聲信號(hào)在不同水樣中的衰減;也有利用比濁法原理，通過測量水樣中微粒的散射光強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)的。毫無疑問，洗衣機(jī)專用的濁度傳感器就是利用后面的原理。但是因?yàn)檫@種傳感器光源和敏感電阻的間距過小，僅1～2cm，對(duì)水質(zhì)濁度的變化不敏感，只能在洗衣機(jī)、洗碗機(jī)中檢測污水，用在河水的日常檢測就不合適了。

其實(shí)，自己動(dòng)手做一個(gè)濁度傳感器并不復(fù)雜。動(dòng)手能力好的，可以用一個(gè)LED、光敏電阻和幾個(gè)電阻，接好線就行。簡要的電路如圖2所示，核心是采用高亮LED作為光源，用光敏電阻監(jiān)測光強(qiáng)度。電路中R1和R2形成一個(gè)分壓電路，在input端可以測出R2兩端的電壓，而這一電壓是由R2受到的光照強(qiáng)度決定的。

慢著，這個(gè)電路怎么這么眼熟，不就是在傳統(tǒng)的環(huán)境光傳感器上加了個(gè)LED嗎？對(duì)啊，其實(shí)，給普通的光敏電阻加上恒定的光源就是一個(gè)濁度傳感器了。如果光敏電阻的阻值發(fā)生變化，肯定是水里有微粒阻擋了光線的通過。我們自己做的傳感器，好處就在于可以自定義光源和光敏電阻之間的距離，以達(dá)到最佳的檢測效果。

明白了這個(gè)道理，我們甚至不用自己畫電路、接線來制作傳感器了。找個(gè)普通的環(huán)境光傳感器，外加一個(gè)LED直射就可以了。當(dāng)然，你也可以找個(gè)常見的灰度傳感器來修改，把上面的LED焊下來，把接線延長就可以了?；叶葌鞲衅饕揽抗饩€反射而獲得物體表面的信息（如圖3），濁度傳感器則靠光線通過來得到水樣的透光率，原理是一致的。

為了容易安放，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩個(gè)相互垂直的同心圓環(huán)探頭來固定傳感器，同心環(huán)內(nèi)部空心，方便鋪設(shè)光敏模塊的電路。然后實(shí)用熱熔膠和其他防水材料封閉縫隙，防止線路進(jìn)水。我們最終設(shè)計(jì)的傳感器，LED燈與光敏電阻相隔8cm。同樣，為了數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，一個(gè)傳感器中有兩組光源和光敏電阻，通過兩個(gè)方向的光敏電阻測量，取平均值，可得到較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。在圖4中，T2，T3為兩個(gè)LED放置位置，R2，R3分別為相對(duì)應(yīng)的光敏接收探頭（光敏電阻），T1，R1清洗裝置的安裝位置。

LED燈與光敏電阻相隔為什么是8cm？傳感器在水里什么位置比較敏感？我們也通過多次的實(shí)驗(yàn)測試，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析得出這一結(jié)論。我們的試驗(yàn)記錄表設(shè)計(jì)如下，最終確定傳感器的最佳固定位置為水下60cm左右。

● 檢測代碼的編寫

在核心控制板方面，我們當(dāng)然選擇Arduino。濁度傳感器通過模擬口接入到Arduino控制板。因?yàn)檫@個(gè)濁度傳感器設(shè)置有兩個(gè)發(fā)射和接收模塊，需要占用兩個(gè)模擬口，然后由控制板對(duì)這兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行取平均值處理，測試代碼如下：

int _ABVAR_1_z1 = 0 ;

int _ABVAR_2_z2 = 0 ;

int _ABVAR_3_z = 0 ;

void setup（）

{

Serial.begin（9600）;

}

void loop（）

{

_ABVAR_1_z1 = analogRead（1） ;

_ABVAR_2_z2 = analogRead（2） ;

_ABVAR_3_z = （ （ _ABVAR_1_z1 + _ABVAR_2_z2 ） / 2 ） ;

Serial.print（_ABVAR_3_z）;

Serial.println（）;

}

代碼很簡單，用ArduBlock也能編寫，參考代碼如圖5。

要監(jiān)測河水濁度，傳感器設(shè)計(jì)僅僅是第一步，還需要將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到服務(wù)器，進(jìn)行監(jiān)測和分析。雖然Yeelink、樂聯(lián)網(wǎng)和DFrobot廠商等都提供了物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，可以將傳感器數(shù)據(jù)直接上傳到這些網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，即可快速實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測的目的。但是利用這些平臺(tái)，數(shù)據(jù)畢竟在他人的平臺(tái)，如果要深入研究，還是要自己寫個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)比較合適。于是我們用VB編寫了一個(gè)采集數(shù)據(jù)的客戶端，將數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)庫中（如圖6）。此外，為了方便查詢，還寫了Web查詢界面（如圖7）。

● 傳感器的效果測試

我們制作了濁度傳感器，并且在學(xué)校周邊的水域做了水質(zhì)監(jiān)控的實(shí)驗(yàn)。按照之前的研究結(jié)果，我們將濁度傳感器安裝在水下60cm處，監(jiān)測設(shè)備的Arduino主板及太陽能電池板等安裝在水面以上，通過水中木樁或其他方式固定在水面上。由于我們選擇的數(shù)傳模塊傳輸距離可達(dá)數(shù)百米，所以數(shù)據(jù)采集的電腦就安置在附近建筑物內(nèi)，數(shù)據(jù)采集非常穩(wěn)定。

● 知識(shí)拓展

設(shè)計(jì)一款傳感器，其實(shí)并不是一件很困難的事情。利用現(xiàn)有的傳感器，修改、更換其某些關(guān)鍵部件或者結(jié)構(gòu)，或許就能實(shí)現(xiàn)其他的用途。僅僅光敏電阻能感知光照的強(qiáng)度這一原理，還可以用在很多方面，除了灰度、濁度檢測外，還能用在灰塵（顆粒物）檢測、轉(zhuǎn)速測量等方面?！拔锫?lián)天下，傳感先行?！蔽锫?lián)網(wǎng)時(shí)代，傳感器是核心應(yīng)用，將滲透于未來生活的各個(gè)層面。讓學(xué)生研究傳感器的設(shè)計(jì)，當(dāng)然是很有必要的。

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