设计检测河水浊度的传感器

随着城市的发展，水资源问题已经成为我们关注的焦点。洞庭湖蓝藻事件，造纸厂的污水，建筑工地的泥浆，都牵动着人们的心。因为学校在三阳湿地旁边，所以我们多次发现，这条河已经被施工泥浆抽干了，而且是泥泞的。据说不良公司甚至晚上用船偷偷排泥，环保部门真的很难管。

通过互联网搜索，我发现每一个路口都有一万多个河流浊度监测设备，水质监测一般以实验室检测为主。但这种人工采集方式无法实时了解水质信息，难以防范不法分子的行为。能否利用网络在湿地区域选择几个无人监测点，实时监测河水的浊度？

一、浊度传感器的设计

要监测河水的浊度，首先需要河水浊度传感器。淘宝上能找到的浊度传感器，要么是几千元甚至上万元的传感器探头，要么是几十元的洗衣机洗碗机专用的污水传感器，如下图。

洗衣机专用浊度传感器

通过文献检索，超声波一般用于水质浊度检测，测量超声波信号在不同水样中的衰减情况。也是利用比浊法原理测量水样中颗粒的散射光强来实现的。毫无疑问，洗衣机专用的浊度传感器采用的是后一种原理。但由于传感器光源与敏感电阻之间的距离太小，只有1-2CM，而且对水浊度的变化不敏感。只能用在洗衣机和洗碗机中检测污水，不适合日常检测河水。

其实自己做一个浊度传感器并不复杂。如果你动手能力好，可以用一个LED，一个光敏电阻，几个电阻。连接电线就行了。简要电路如图所示。该电路的核心是采用高亮度LED作为光源，用光敏电阻监测光强。在这个电路中，R1和R2组成了一个分压电路，在输入端可以测出R2两端的电压，而这个电压是由R2的光强决定的。

浊度传感器电路

等等，为什么这个电路这么熟悉？不就是在传统的环境光传感器上加了一个LED吗？是的，其实在普通的光敏电阻上加一个恒定光源就是浊度传感器。如果光敏电阻的阻值发生变化，水中一定有颗粒阻挡了光线的通过。我们的传感器的优点是可以自定义光源和光敏电阻之间的距离，以达到最佳的检测效果。

知道了这个道理，我们甚至不用自己画电路和布线来做传感器。找一个普通的环境光传感器，加上一个直射LED就可以了。当然你也可以找个普通的灰度传感器改装一下。只需将LED焊接在上面并延长布线即可。灰色传感器通过光反射获得物体表面的信息，而浊度传感器通过光透射获得水样的透过率。原理是一样的。

普通灰度传感器

为了便于安装，我们设计了两个相互垂直的同心环形探头来固定传感器。同心环内部是中空的，便于感光模块的电路铺设。然后用实用的热熔胶等防水材料封闭缝隙，防止线路进水。在我们的最终传感器中，LED灯与光敏电阻相隔8厘米。同样，为了使数据更加准确，一个传感器中有两组光源和光敏电阻。通过在两个方向上测量光敏电阻，我们可以通过取平均值得到更精确的数据。

浊度传感器示意图

注:T2和T3是两个发光二极管的放置位置，R2和R3分别是相应的光敏接收探头(光敏电阻)、T1和R1清洗装置的安装位置。

为什么LED和光敏电阻的距离是8cm？传感器在水中哪里敏感？我们也是通过很多实验测试和统计分析得出这个结论的。我们的测试记录表是这样设计的，最后传感器的最佳固定位置是水下60CM左右。

二、测试代码的编写

对于核心控制板，我们当然选择Arduino。浊度传感器通过模拟端口连接到Arduino控制板。因为这个浊度传感器配备了两个发射和接收模块，需要占用两个模拟口，然后控制板会对两个数据进行平均。测试代码如下:

int _ ab var _ 1 _ Z1 = 0；

int _ ab var _ 2 _ z2 = 0；

int _ ab var _ 3 _ z = 0；

无效设置()

{

serial . begin(9600)；

}

无效循环()

{

_ ab var _ 1 _ Z1 = * * ogRead(1)；

_ ABVAR _ 2 _ z2 = * * ogRead(2)；

_ ab var _ 3 _ z =((_ ab var _ 1 _ Z1+_ ab var _ 2 _ z2)/2)；

serial . print(_ ab var _ 3 _ z)；

serial . println()；

}

代码非常简单，可以用ArduBlcok编写。参考代码如下:

ArduBlock代码

要监测河水的浊度，传感器设计只是第一步，还需要将数据实时上传到服务器进行监测分析。虽然Yeelink、LeNet、DFrobot厂商都提供物联网平台，但是传感器数据可以直接上传到这些网络平台上，可以快速达到实时监控的目的。但是，使用这些平台，数据毕竟是在别人的平台上。如果想做深入的研究，自己写数据采集系统比较合适。所以我们用VB编写了一个客户端来采集数据，并将数据存储在数据库中。此外，为了方便查询，还编写了WEB查询界面。

数据收集客户端

WEB查询界面

三、传感器的效果测试

我们制作了一个浊度传感器，并在学校周边水域进行了水质监测实验。根据之前的研究成果，我们将浊度传感器安装在水下60CM，监测设备的Arduino主板和太阳能电池板安装在水面上方，通过水下木桩或其他方式固定在水面上。由于选用的数据传输模块传输距离可达数百米，数据采集计算机放置在附近的建筑内，数据采集非常稳定。

我们的水质监测点

四、知识扩展

设计一个传感器其实并不是一件很难的事情。利用现有的传感器，修改和替换一些关键部件或结构可以实现其他用途。只有光敏电阻才能感应光的原理，除了检测灰度和浊度，还可以用在很多方面，比如灰尘(颗粒)的检测，转速的测量等等。“物联网是世界，传感先行”。物联网时代，传感器是核心应用，将渗透到未来生活的各个层面。学生学习传感器的设计当然是必要的。