下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
水，是生命之源，是人类赖以生存的重要物质，本次实验围绕水源质量展开，面向对象为小学生。
小学科学课程标准中涉及了水体、水圈的内容。教育科学出版社出版的小学科学教材六年级下册中“环境和我们”篇章设计了“考察家乡的自然水域”的内容，要求同学们实地考察周围水域环境，查看水体有没有废水排放，有没有污染物、动植物，最后采集一瓶水样带回去进行检验观察。大多数同学会在河边或者池塘边将水样采集到盛水的容器中。有学生提出疑问，池塘中心部位和边缘部位的水质是否一样？爱因斯坦曾说过，提出一个问题往往比解决一个问题更加重要。学生勇于提出问题，必须得到老师正面回应。出于探索的精神，我们尝试做了实验项目“郑和一号”水质监测船，用来监测周围水域的水质，然后给出量化的结果。
“郑和一号”可以远程操控，并实时发送采集到的水质数据到物联网平台。本作品由我指导学生共同完成。
我们希望水质监测船可以远程操控，实时反馈水质，甚至可以帮助环境监测部门全天候不间断监测企业是否有乱排污水的现象。
实现远程操控的方案有Wi-Fi和2.4GHz通信两种，考虑到响应的速度和稳定性，我们选择了2.4GHz无线通信手柄（见图1-1）。
图1-1 2.4GHz无线通信手柄
我们采用OBLOQ物联网模块（见图1-2）将传感器监测到的数据实时反馈到物联网平台，当然OBLOQ物联网模块要连接Wi-Fi，需要我们使用手机打开热点。
图1-2 OBLOQ物联网模块
下面需要解决的是水质监测船续航的问题。反复上岸充电明显是不现实的，利用可再生的能源为锂电池供电是一种比较可行的方案，于是我们想到了用5V/1A的太阳能电池板（见图1-3）和太阳能电源管理模块（见图1-4）给锂电池充电解决续航问题。
图1-3 太阳能电池板
图1-4 太阳能电源管理模块
我们需要能监测水质的传感器，目的是将水质好坏程度进行量化。监测水质的传感器有很多种，比如模拟TDS传感器、模拟pH计和模拟水质浊度传感器等。
由于模拟水质浊度传感器不能完全浸入水中测试，先将其排除。剩下的两种传感器测试的侧重点不同，pH计可以测试pH值，TDS传感器可以检测水中的TDS（溶解性总固体，也叫溶解性固体总量）。如果两种传感器都能够用在本实验中，可以全面地反映水质，但成本也是需要考虑的因素，于是我们本次只采用了成本相对较低的模拟TDS传感器（见图1-5）。TDS表明1L水中溶有多少毫克溶解性固体。一般来说，TDS值越高，水中含有的溶解物越多，水就越不洁净。因此，TDS值的大小，可作为反映水的洁净程度的依据之一。依照我国《生活饮用水卫生标准》，饮用水的TDS应小于等于1000mg/L。
图1-5 模拟TDS传感器
我们此次使用的TDS传感器采用电导率法来计算TDS数值。电导率表示水溶液传导电流的能力，它与水中的TDS有密切的关系。电导率法存在的不足就是检测时水温会影响电导率，进而影响检测到的TDS数值。
目前TDS传感器被广泛用于家用净水器中，不过它只能检测出水中的可导电物质，而无法检测出细菌、病毒、微生物等，因此不能单纯地将TDS数值作为水质好坏的标准。我们应结合其他水质指标综合评价水样的水质。
在使用TDS传感器的过程中需要注意以下几点：（1）TDS探头不能用于55℃以上的水中；（2）TDS探头放置位置不能太靠近容器边缘，否则会影响示数；（3）TDS探头头部与导线部位防水，可浸入水中，但连线接口处与信号转接板并不防水，使用时请注意。
要让水质监测船在水面上行驶，驱动方式有很多种，比如船帆、船桨、螺旋桨、明轮等。考虑到制作的难易程度，我们采用了比较简单的明轮驱动方式。
方案确定后，我们展开实验，分室内实验和户外实验两部分。
人们以往会通过一些粗略的词语评价水源水质，比如“这里的水好干净啊”，通过本次实验，我们检测与人们生活相关的水体，将水质的好坏程度进行量化。实验让同学们对不同水质有直观的感受，养成用科学实验数据总结规律的好习惯。
我们主要完成6种水的水质检测，不需要让船体下水，只需要静态地观察检测数据。6种水分别是：自来水、净水器过滤后的水、沸腾之后冷却至50℃左右的水、农夫山泉饮用天然水、怡宝纯净水，以及百事可乐（见图1-6）。
图1-6 用于室内实验的6种水
实验器材如表1-1所示。
表1-1 实验器材
模拟TDS传感器输出的是模拟信号，我们把它接在Arduino Nano的模拟引脚A0上；OBLOQ物联网模块接Arduino Nano的数字引脚2、3，如图1-7所示。
图1-7 电路连接示意图
我们使用的是Mind+编程环境，使用“上传模式”，单击左下角的“扩展”，在“主控板”选项卡中选择“Arduino Nano”，在“传感器”选项卡中选择“模拟TDS传感器”，在“通信模块”选项卡中选择“OBLOQ物联网模块”。
接着，我们需要查看用于向物联网平台发送数据的几个参数。用浏览器打开Easy IoT网站，单击“工作间”（见图1-8），登录物联网平台查看3个重要参数Iot_id、Iot_pwd、Topic（见图1-9）。
图1-8 Easy IoT网站
图1-9 查看3个重要参数Iot_id、Iot_pwd、Topic
准备工作完成后，接下来编写程序。测试程序如图1-10所示，程序的主要功能是每隔5s向Easy IoT平台发送一次TDS传感器检测到的数值。注意程序中的Iot_id、Iot_pwd、Topic要与Easy IoT平台中的内容一致（见图1-11）。
图1-10 测试程序
图1-11 程序中的Iot_id、Iot_pwd、Topic要与Easy IoT平台中的内容一致
对自来水进行检测（见图1-12），从图1-13中Easy IoT平台记录的数据可以看出自来水的TDS数值在220～230mg/L，属于可以接受的范围。
图1-12 对自来水进行检测
图1-13 自来水的检测数据
图1-14中的数据显示，净水器过滤后的水TDS数值在110～120mg/L，这种水属于比较理想的饮用水。
图1-14 净水器过滤后的水的检测数据
模拟TDS传感器不能用在超过55℃的环境中，所以我们选用了恒温水壶中50℃的水。图1-15中的数据显示TDS数值在230mg/L左右，溶解性固体还是比较多的，怀疑是水壶长时间没被清洗，有水垢的缘故。
图1-15 沸腾之后冷却至50℃左右的水的检测数据
如图1-16所示，农夫山泉饮用天然水的TDS数值为60mg/L左右，很理想，里面的溶解性固体应该也是人体所需的矿物质。
图1-16 农夫山泉饮用天然水的检测数据
如图1-17所示，怡宝纯净水的TDS数据显示为0mg/L，纯净水真的很纯净。
图1-17 怡宝纯净水的检测数据
如图1-18所示，百事可乐的TDS数值在800mg/L左右，可乐中的溶解性固体还是比较多的，我暂时没能把数据和配料表中的成分对应起来。
图1-18 百事可乐的检测数据
比较6种水的TDS数值，我们对水体的溶解性固体含量有了直观的量化比较，百事可乐中的溶解性固体含量最高，怡宝纯净水则完全没有溶解性固体。不过TDS数值高低也不能完全说明水是否适合饮用，含微量矿物质的饮用水是比较理想的；TDS数值为0mg/L的纯净水虽对人体无害，但也无法提供人体所需的微量元素。
考察周围水域环境，通过对TDS数值的比较，充分了解生活环境的水质。监测户外的水质，可以从小树立保护环境的意识。同学们通过合作完成项目，还可以培养团队合作能力。
水质监测船用到的器材如表1-2所示。
表1-2 水质监测船用到的器材
我们需要在室内实验的基础上增加太阳能电源管理模块和电机驱动模块的连接。电机驱动模块采用的是比较常见的L298N双路电机驱动芯片，特点是驱动电流大一些，缺点是连接稍微复杂。电路连接如图1-19所示。
图1-19 水质监测船电路连接示意图
我们使用激光切割机对奥松板进行加工，制作船体。只是一个木制船，并不能够安全地漂浮在水面上，因此，我们在船底加上了塑料泡沫板，以增大船的浮力。设计图纸时需要注意预留传感器、电子元器件的安装位置。使用LaserMaker设计的船体图纸如图1-20所示。激光切割机加工完成的实物如图1-21所示。
图1-20 使用LaserMaker设计的船体图纸
图1-21 激光切割机加工完成的实物
（1）将主要电子元器件安装在小盒子中，避免触碰到水而损坏（见图1-22）。
图1-22 将主要电子元器件安装在小盒子中
（2）为了最大程度获取太阳能，我们将太阳能板以图1-23所示的方式安装在船体表面。
图1-23 安装太阳能板
（3）将木制结构件装配成船体，将盒子放入船体中，在船底部装上塑料泡沫板（见图1-24）。
图1-24 安装船体
（4）两个明轮采用两个法兰和联轴器与N20电机相连（见图1-25）。
图1-25 安装明轮
（5）最终“定妆照”如图1-26所示。
图1-26 最终成品
我们使用Mind+编程，使用“上传模式”，单击“扩展”，在“主控板”选项卡中选择“Arduino Nano”，在“用户库”选项卡中选择“L298N_RED微型电机驱动”，在“传感器”选项卡中选择“模拟TDS传感器”，在“通信模块”选项卡中选择“OBLOQ物联网模块”和“PS2手柄”。
准备工作完成后，接下来编写程序。我们要完成初始化，让水质监测数据发送到物联网平台，初始化参数主要有5个，前两个是Wi-Fi名称和密码，后3个是Iot_id、Iot_pwd、Topic_0。
编写船体前进、后退、左转、右转的函数（见图1-27）。
图1-27 船体前进、后退、左转、右转的函数
然后设计一个利用PS2手柄进行控制的函数（见图1-28）。
图1-28 利用PS2手柄进行控制的函数
PS2手柄在使用之前需要初始化（见图1-29）。
图1-29 PS2手柄初始化程序
主程序（见图1-30）加上图1-27、图1-28所示的函数就是完整的程序，程序中设置了当右侧摇杆值大于250时向物联网平台发送水质监测数据。
图1-30 主程序
对公园小池塘的水质进行监测，反馈到物联网平台的TDS数据如图1-31所示。
图1-31 公园小池塘的TDS监测数据
接下来对小区外面的河的水质进行监测（见图1-32），反馈到物联网平台的TDS数据如图1-33所示。
图1-32 对小区外面的河的水质进行监测
图1-33 小区外面的河的TDS监测数据
从数据可以看出，公园小池塘的TDS数值在180mg/L左右，水质还是不错的。小区外面的河的TDS数值在270mg/L左右，比公园小池塘的TDS数值略高，水质略差。实验基本可以量化水质，对于水质比较差的下游河流，可以从上游开始跟踪监测水质，查找出问题的水域，思考采用什么样的方法对水质比较差的水体进行净化。
“郑和一号”水质监测船还有需要提升的地方，比如，在结构材料上可以选择更防水的材料；在水质监测方面，本次只用了TDS传感器监测水质，以后可以尝试增加pH计；物联网模块受Wi-Fi信号传输距离限制，只能在Wi-Fi覆盖范围内使用，后面可以尝试使用GPS模块解决问题，让水质监测船能够实现真正意义上的远程操控。我们的目标是星辰大海。