描述

注意：由于 Arduino Opla 物聯網套件遲到，我們決定使用 ESP 制作這個項目，但是它可以很容易地用 Arduino 物聯網套件復制。使用它將使項目不那么復雜，但我們當時沒有辦法。

介紹

水是人類賴以生存的基本必需品之一。即便如此，人類似乎已經忘記了這一點，因為它在幾十年的過程中不斷污染水源。截至目前，海洋中漂浮著多個巨大的垃圾帶，積累了大約 1、15 到 2、4100 萬噸垃圾[13]。結果，環境逐漸發生變化，我們水域的 pH 值上升，這對以海洋和河流為家的物種構成威脅，這只是眾多例子中的一個 [31]。如果任由這種趨勢持續下去，無疑會危及人類的生存條件。

盡管環境意識有所提高，但污染仍在發生的主要原因之一是因為污染通常是匿名的，因為幾乎不可能追溯污染[32]。因此，我們啟動了一個項目，在該項目中，我們將制造一種能夠漂浮在任何水體表面并檢測何時發生污染的設備。在這種情況下，它將迅速向地方當局發出警報，以便首先挽救泄漏，其次對肇事者進行相應的懲罰。因此，我們分別將我們的設備命名為“The BayWatch”。我們的名字是團隊 Flotilla，我們將致力于將其作為一個可行的解決方案推出。特此記錄我們的程序。

第一章：文獻綜述

第1條

智能家居能源的未來

本文討論了使用物聯網來創建能源需求側響應。這方面的一個例子是連接到互聯網的電動汽車和智能電表。在這種情況下，可以選擇在能源便宜時為電動汽車充電。

此外，它還談到了互聯網提供的讓不同品牌的設備相互通信的解決方案。以前只能在同一個品牌中實現的東西。

這種類型的能源供應的一個困難是需要確定需求價格，以便決定是否改變對供應價格的需求。[1]

研究這種需求側響應的概念并將其應用于太陽能可能是一個想法。例如，房屋的太陽能電池板有時會產生過多的電力，并且剩余能量。一種選擇是使用剩余的能量，例如為電動汽車充電。

第二條

脫碳航運：全力以赴

海運業占全球運輸的 80%。德勤與殼牌正在研究如何使該行業更具可持續性。通過與 80 位高級管理人員的對話，該研究認識到需要一種基于 3 項原則的方法；采用生態系統視角，從大處著眼，從小處著手，快速擴展，關注行為和觸發因素。基于這些原則，該報告提出了 12 種可能的解決方案，以使該行業到 2030 年實現凈零船舶在水上航行。

航運業正在蓄勢待發，但為了實現 IMO 2050 的雄心，已經沒有多少時間可以浪費了。[2]

第三條

介紹紡織品和服裝的可持續性挑戰

服裝業是二氧化碳排放量的巨大貢獻者，因此也是氣候變化的主要原因。出現這種情況是有某些原因的。貿易的快速全球化和不斷擴大的服裝市場促成了服裝的大規模生產，因此也促成了許多與環境有關的有害活動。廉價勞動力和向國家外包使大型組織很容易在沒有真正考慮環境的情況下進行大規模生產。當今的時尚行業瞬息萬變，潮流瞬息萬變。

當然，這給這個行業帶來了挑戰。由于供應鏈非常長，因此很難識別和解決有關可持續性的問題。一些措施已經在采取。非政府組織刺激消費者向供應施壓，以生產更可持續和公平生產的服裝。讓需求部門意識到該行業的可持續性問題是解決方案的一部分。根據文章，我們還應該對環境規則不嚴格的國家實施更好的規章制度。此外，供應商應承擔更多責任，使行業更具可持續性。還需要學者來研究和開發更可持續的生產鏈的想法[3]。

第四條

肉類消費

食品工業對氣候變化負有很大一部分責任。它占地球排放量的三分之一。肉類行業對排放有很大影響。這些動物以其他植物為食，因此當肉類需求增加時，對植物的需求也會增加。1 公斤小麥會產生 2.5 公斤的溫室氣體，而一公斤牛肉會產生 70 公斤。氣候變化也會影響糧食生產，約三分之一的生產將因氣候變化而處于危險之中。建議人們在愿意的情況下改變他們的飲食習慣。當你停止吃肉或少吃肉時，碳足跡會少得多[4]。

第五條

全球三分之一的糧食生產面臨氣候危機的威脅

氣候變化是導致種植或生產農作物變得更加困難的原因。農作物的增長一直在下降。這是由溫度變化引起的，這可能導致洪水、干旱或其他自然災害。由于地球的一部分已經沒有多少食物，這場氣候危機將對越來越多的人產生影響。據估計，如果我們不采取措施，大約三分之一的糧食生產將面臨風險。可以采取的一些措施是將您的飲食改為更多植物性食物，而不是肉類和奶制品。更有效地利用土地也有幫助。種植樹木是一種更通用的處理二氧化碳的解決方案，也可以幫助減緩地球溫度的升高 [5]。

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第六條

野火傷害

野火可能由于各種原因而發生，但數據表明它們更有可能發生在高溫下。除了對生命的威脅外，野火還會向大氣中釋放大量的二氧化碳，這種現象與汽車發動機排放的廢氣相似。

此外，據預測，隨著溫度的升高，野火的數量將隨著嚴重程度的增加而變得更加頻繁[6]。

第七條

腐蝕性自然災害

盡管氣候變化與地震和颶風等自然災害之間存在間接聯系，但通過氣候變化催化的不穩定氣候將導致更嚴重的自然災害。文章指出，地震或颶風等事件可能已經具備釋放的必要條件，所需要的只是進一步推動。氣候變化在這方面不會是推動，而是推動[7]。

第八條

洪水和對基礎設施的進一步破壞

在更北部的西方社會中發生的自然災害的一個特例是洪水的威脅。尤其是在德國，被洪水淹沒的城市已經沖走了殘骸、家具和居民，其中一些仍有待尋找。

隨著氣候變暖，大氣變得更有能力容納更大數量和密度的水。結果，當垮臺確實發生時，它比前幾年更加嚴峻。這在城市環境中尤其危險，因為它會導致泥石流，甚至在此過程中破壞基礎設施 [8]。

第九條

三個世紀以來土地利用和氣候變化對生物圈的雙重壓力

人類土地利用和氣候變化正在給全世界的自然生態系統帶來越來越大的壓力，對生物多樣性、水資源、養分和碳循環產生影響。本文全面分析了過去 300 年氣候變化和土地利用對陸地生物圈的影響。到 21 世紀初，土地利用和氣候變化共同導致了 90% 以上的耕地面積發生了重大變化，相當于全球 26% 的土地面積。[9]

第十條

使用耦合氣候-碳循環模型的陸地生物圈對二氧化碳和氣候變化的全球響應

本文通過觀察 1860-1990 年期間的二氧化碳排放量和 1991-2100 年期間的排放情景來描述陸地生物圈對氣候變化的響應。到 21 世紀末，我們表明，由于氣候變化，全球土地吸收減少了 56%。在熱帶地區，溫度升高會降低土壤含水量，從而導致陸地 CO2 凈吸收量減少 80%。結果，熱帶碳儲存在模擬結束時飽和，一些地區成為二氧化碳的來源。在北部高緯度地區，溫度升高會刺激陸地生物圈，進而導致土地吸收增加。

總體而言，負面氣候影響遠大于模擬的正面影響，因此氣候變化減少了全球土地碳吸收。 [10]

第十一條

陸地生物圈是大氣中溫室氣體的凈來源

陸地生物圈可以釋放或吸收溫室氣體、二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和一氧化二氮（N2O），因此對調節大氣成分和氣候具有重要作用。土地利用變化、農業和廢物管理等人為活動已經改變了陸地生物源溫室氣體通量，由此導致的甲烷和一氧化二氮排放量的增加尤其會導致氣候變化。本文描述了氣體排放量如何大于氣體消耗量，從而導致全球變暖。 [11]

第十二條

海洋污染/酸化

在這篇文章中，他們談到了中國排放到河流和海洋中的陸源污染。這種污染的主要原因是河流和海洋沿岸的人口增長。以至于長江流域的環境污染直接影響到ECS（東海）的海洋環境狀況[12]。污染如此嚴重，以至于這些地區的人口健康狀況也在下降。盡管最大的挑戰是將促進可持續性和環保決策作為優先事項。但為了讓中國實現他們的想法，他們很可能需要國際合作的支持。

第十三條

海洋內的垃圾處理

在 The Ocean CleanUp [2] 的網站上，他們提到了海洋中的塑料對野生動物和人類的影響。在本文中，通過幾個示例提到了大太平洋垃圾補丁 (GPGP) 的影響。其中之一是，由于生物累積，塑料最終也會進入我們的身體。這會導致所有受體內毒素影響的物種的健康問題。此外，海洋生物不僅會因體內的毒素而死亡，還會在所謂的“鬼網”中窒息而死。然而，我們被污染的海洋最容易被遺忘的影響是經濟影響。他們在 The Ocean CleanUp 的網站上表示：“根據與德勤合作進行的一項研究，海洋塑料造成的每年經濟成本估計在 6-190 億美元之間。成本源于其對旅游業、漁業和水產養殖業以及（政府）清理工作的影響。這些成本不包括對人類健康和海洋生態系統的影響（由于研究不足）。這意味著在河流中攔截塑料比處理下游后果更具成本效益。” [13]。

第十四條

野火造成的損失

由于氣候變化，野火在當今世界的現象日益增多。世界各地的野火數量正在迅速增加。如此之多，以至于 2018 年在加利福尼亞發生了有史以來最大的野火。據 BBC 新聞 [14] 報道，這是由于“前所未有的干旱和高溫，再加上歷史上糟糕的土地管理……”但不僅是人們的房屋和動物的生命處于極度危險之中，而歷史悠久的紅杉樹也在死亡。2020 年的城堡大火殺死了 10.000 多棵大紅杉樹 [14]。這更加危及我們的空氣純度。現在，由于極端火災，更多的二氧化碳最終進入空氣，而由于樹木數量減少，尤其是紅杉，被過濾的二氧化碳減少了。現在在視頻中，他們提出了讓格林維爾這個完全被大火吞噬的村莊成為可持續發展城市的想法。

第十五條

消費模式交替

存在價值行動差距。大多數人可能支持環保信念，但沒有多少人會為了購買更環保的產品而放棄個人利益（即價格、便利性）。黑暗和不祥的氣候變化預測已經顯示出灌輸一種宿命論的無助感。建設性樂觀的信息將反駁這一點。在促使人們購買更環保的產品時，使用社會規范的運動效果最大。綠色行為具有正向和負向溢出效應。研究表明，專注于一個綠色方面的家庭在其他方面的污染程度更高。綠色行動，不是為了自身利益，而是自我超越，增加他人的綠色行為。讓綠色消費主義不再是一種道德選擇，而是一種標準，將最大程度地提高它。[15]

第十六條

有關氣候變化的信息

知識在改變人們的行為以實現更可持續的生活方式方面的作用是值得商榷的。參與個人的認知、體驗和情感方面可能更有效。應結合這些因素，也稱為變革性可持續性學習 (TSL)，以獲得更有效的環境和可持續性教育 (ESE)。在這個主題上接受適當的教育可能會改變消費者文化，從而有可能專注于個人更具挑戰性的上游行為改變，而不是解決下游解決方案。[16]

第十七條

城市環境中的回收利用

該論文基于英國伯恩利區的回收率。研究發現，社會經濟背景較低的人傾向于減少回收利用，這主要是因為可能較小的房產中可用的存儲空間較少。那些進行回收的人是有更多時間（老年人，非父母）和更大財產的人。絕大多數是回收計劃，但對所提供的服務不滿意，其中包括易于獲取的信息和實施的回收計劃。使其更加可靠和方便將對回收的人數產生最大的影響。[17]

第十八條

車輛排放

交通運輸占全球二氧化碳排放量的 26%，是為數不多的排放量仍在增長的工業部門之一。因此，本文重點介紹減少大排放群體排放的方法，例如汽車、公路貨運和航空的使用。在本文中，技術創新似乎不太可能是解決氣候變化問題的唯一方法。因為當我們要減少交通部門的排放時，更重要的是要改變人們的行為。總之，行為改變是減少大部分交通部門排放的關鍵因素，盡管技術會在一定程度上有所幫助。行為改變意味著，例如，高占用車道將鼓勵同事拼車并通過共同的旅行計劃共享上班行程。 [18]

第十九條

工業車輛排放

在本文中，很明顯，客運和貨運占全球一次能源使用的近四分之一以及與能源相關的溫室氣體 (GHG) 排放。由于中國和印度等工業化國家的崛起，預計這一比例將在未來幾年內增加。因為有必要減少溫室氣體排放以及這些排放引起的氣候變化，本文解決了以下問題：我們減少交通能源使用和溫室氣體排放的大部分努力是否應該集中在減少單位排放量（或能源）運輸任務（例如每乘客公里二氧化碳當量公斤數），還是我們應該專注于減少乘客運輸任務本身？他們在文章中給出的答案很模糊，但他們提出的主要觀點是，每輛汽車每公里二氧化碳排放量的減少量很難實現，因為每升燃料輸送到汽車油箱的輸入能源成本很高。一個之前沒有提到的解決方案是，他們還談到了普通汽車的減排。這可以通過采用降低汽車出行的門到門速度優勢的交通政策來實現。例如，降低限速、封路、限制內城車輛通行以及限制停車。[19] 這可以通過采用降低汽車出行的門到門速度優勢的交通政策來實現。例如，降低限速、封路、限制內城車輛通行以及限制停車。[19] 這可以通過采用降低汽車出行的門到門速度優勢的交通政策來實現。例如，降低限速、封路、限制內城車輛通行以及限制停車。[19]

第二十條

地球工程

隨著全球氣溫持續上升，人們正在考慮多種解決方案來緩解氣候變化。其中之一是地球工程（（字面意思是“地球工程”）=當前流行的術語，用于對地球如何運作以減緩或逆轉氣候變化的影響進行大規模干預。理論上，“地球工程”這個詞可以可用于描述幾乎任何應對氣候變化的大規模概念）。本文考慮了一項在全球范圍內采用的個人行動（減少私人車輛的二氧化碳排放）如何產生與地球工程相當的效果.[20]

第 2 章：識別一般問題和挑戰

• 二氧化碳排放 自然災害

森林大火造成大量二氧化碳排放，據有關檢查文章稱，這是導致全球變暖的重要因素。當然，此類火災對生物圈的破壞帶來了進一步的負面外部性，例如野生動物的枯萎和對生命的直接威脅，其中也包括人類。

• 自然災害增加

由于氣溫升高，例如森林砍伐，森林火災和洪水等自然災害的風險將增加，這對環境和人類也不利。

• 能源使用效率低下

許多家庭使用的能源超出了他們的實際需要。由于這個原因，大量的能量被浪費了。示例是在夜間插入設備進行充電，在這種情況下，整個晚上都會使用電力為設備充電，即使它在最多幾個小時后完全充電。

• 海洋污染

海洋被微塑料和酸污染。這對海洋中的魚來說是一個大問題，因為它們會與這些物質接觸，導致它們吞咽、進食或死于酸。這對我們海洋中的生物多樣性產生了不良后果，但也意味著吃魚的人也在吃塑料。

• 氣候變化導致健康問題

空氣污染和海洋污染會導致我們呼吸和食用有害物質。這是一個大問題，尤其是從長遠來看。

• 糟糕的政府法規

糟糕的政府法規可能導致某些行業對環境非常有害。就像服裝行業一樣，就像我們在一篇文章中談到的那樣。任何化學品和排放法規都不會造成不必要的污染。

• 奢侈品消費產品的二氧化碳排放量

消費社會習慣于（例如）快速改變時尚風格。手機是不可修復的，我們已經習慣了扔掉很多東西是可以的。關注可修復性和可再生性可以提高可持續性。

• 交通運輸產生的二氧化碳排放

如今，交通運輸穩步成為空氣污染中的一個嚴重問題，這可能導致氣候變化。由于私人交通工具的商品性，大多數人選擇私家車而不是使用公共交通工具。而且由于人口不斷增加，汽車數量增加，從而增加了大氣中的氣體排放

• 用水效率低下

人們經常讓水龍頭運行或等待淋浴水達到合適的溫度。所有這些，以及更多，都會導致低效和不必要的用水。為了解決這個問題，出現了越來越多的技術，但是，還有很多工作要做。

• 砍伐森林

大量森林砍伐是為了創造農業區/建設城市，這可能會導致自然界中更多的氣體排放，而沒有足夠的來源來消耗它們。

• 抑制家庭綠色行為

大多數家庭確實希望更加環保，但發現這樣做太困難、太耗時或太昂貴。與地球工程相比，能夠改變消費者的行為將對環境產生積極影響。

第 3 章：識別一般問題和挑戰

這些是我們的 5 個普遍問題

• 家庭能源使用效率低下

每個人都可以改善他們的能源消耗。我們可能會提供一系列解決方案來優化這個問題。

• 水污染

海洋和河流的水污染都會導致生態系統的破壞。從長遠來看，破壞這些生態系統會給人類帶來問題。此外，水污染導致我們的飲用水中充滿了我們最好不要飲用的有害物質。為了一個可持續的未來，我們需要可持續的水。

• 不考慮氣候變化

改變普通消費者的行為將對清潔環境危機的各個方面產生巨大影響，從水和電的使用到回收利用和全球變暖。這也是規范自然友好型解決方案的一大推動力。

• 洪水

隨著衰落的增加，洪水必將成為越來越令人擔憂的問題，特別是對于城市化靠近水域的國家而言。它們已經被證明是致命的，并且是必須在短期內處理以減少生命損失的威脅。

• 交通擁堵/基礎設施差

幾乎每個城市都會發生交通擁堵，而糟糕的基礎設施使它們變得更糟。交通擁堵導致汽車的活動時間超過了需要的時間，同時大量的氣體排放到大氣中。這種情況在冬天更糟，因為汽車需要更多的燃料來保持車內足夠溫暖。

第 4 章：問題選擇和動機

選擇的問題：水污染。

飲用水變得越來越稀缺[21]。化學品和塑料物品被傾倒在河流和海洋中。過濾水可能會成為一個越來越大的問題。生態系統依賴于河流，如果蜉蝣由于河流污染而無法生存，鳥類沒有足夠的食物而死亡。這將在這個生態系統中產生多米諾骨牌效應，并最終給人類帶來問題[22]。對河流或其他水體進行更多更好的監測可以為我們提供某些問題所在的指標。這些信息可以傳遞給正確的當局，以便快速解決問題。

如果水沒有那么污染，水過濾中心過濾水的難度就會降低。我們的水依賴河流。過濾越來越難，如果我們想過濾漂浮在河流中的劣質水，現在我們需要更昂貴的過濾解決方案。從長遠來看，水中的毒素對我們的人口來說可能是一個主要的健康風險。努力為這個問題尋找可能的解決方案可以改善公共衛生。

除此之外，它可能會促進生態系統和自然，因為它們都依賴河流作為燃料和水。當大自然蓬勃發展時，它將導致更多的二氧化碳被過濾成氧氣，這有助于對抗我們大氣中的所有溫室氣體。

除此之外，提高對水污染問題的認識可能會讓人們意識到自己的用水和污染。這將提高知識，并可能使公眾更加注意他們如何處理水。

一切都取決于這一物質，因此這個問題很重要。

Li An Phao 創立的“可飲用河流”基金會是一個倡導河流健康的當地組織，認為河流自然應該干凈到可以飲用。我們有機會親自與李安交談，她確認水污染是更緊迫的問題之一，同時也給了我們一些有趣的見解，例如微塑料、醫院廢物（藥丸等）和污水化學品是目前的主要污染源在荷蘭這里。

第 5 章：潛在解決方案

配備傳感器的船

這個解決方案是關于可以掃描和跟蹤船底水中毒素量的船。當這些毒素在一個地方有很多時，可以追蹤到這些毒素，目標是水中的污染區域。當檢測到這樣的區域時，它可以發送信號并警告人們在該特定位置進行清潔。因此，它實際上會跟蹤水的健康狀況，并警告水中含有大量毒素的污染區域。

回收的船

有了這個想法，我們想到了一個可連接的網，傳感器連接到船的底部。這個網絡將包含傳感器，可以測量水的質量以及它被垃圾污染的程度。它將從河流/湖泊/海洋中收集一部分垃圾，并在容量已滿并且需要處理垃圾時通知船夫。從理論上講，最好用風扇之類的東西通過船的運動來提供動力，這樣它就可以消耗清潔能源。

灌溉用水

由于飲用水越來越稀缺，而水本身也受到越來越多的污染，因此盡可能多地使用雨水進行灌溉是一個好主意。雨水是我們可以為此目的使用的最清潔的水源。灌溉是飲用水消耗的最大因素之一，減少這對環境來說是極好的。

可展開的有毒過濾器

使用此解決方案，我們繪制了以下圖像。在這里，我們想到了可以在海洋中有大量毒素的地方部署的過濾器。這可能來自漏油或其他化學廢物。過濾器需要傳感器來觀察和檢測毒素。根據它處理的化學物質，它需要不同的過濾方法。過濾器會將毒素從水中排出，并檢查水的健康狀況。此外，過濾器將確保過濾后的毒素殘留物不必傾倒在其他地方，但可能會變成更有用的東西。

監控浮標

擁有一個易于部署的多功能監測站將非常適合水研究和安全。例如，將這些浮標放置在工業場地周圍的水域中可以幫助在收集當地生態系統數據的同時更快地定位威脅自然的泄漏。使這些浮標自給自足、堅固耐用，最重要的是，防水是可持續產品的必要條件。

第 6 章：解決方案選擇

監控浮標

我們確定的最終解決方案是監控浮標。我們選擇了這個方案，因為它是最現實可行的。此外，完成產品后更容易測試。此外，它是最通用的適用設備；它既可以部署在河流中，也可以部署在海洋中。

浮標的能源必須是清潔的，但也要足夠使浮標能夠自我維持，因此想法是在物體表面放置太陽能電池板，這將為其中的少量電池供電，反過來將提供所有傳感器。這是完美的選擇，因為太陽能電池板本身是防水的，除了太陽之外不需要任何外部能源。

我們相信該設備將減少水污染，因為它應該使公司更難污染并減少打撈隊的反應時間。確切的計劃如圖 1 所示；當發生泄漏時，浮標會檢測到它并迅速向地方當局發出警報，以便控制傷害并相應地對可能的肇事者提出指控。

團隊規劃

為了最大限度地提高效率，我們認為為每個成員分配一個特定的角色是徒勞的，因為在這種情況下，團隊合作優于個人主義。因此，我們將團隊分為兩個部分：設計團隊和編程團隊。

我們處理它的方式，有兩種主要類型的任務需要我們注意：

• 設計（布局、形狀、草圖可視化、可漂浮性、防水、3D 打印、視頻捕捉、最終演示設置）

• 編程（arduino 代碼、服務器設置、數據流功能、傳感器校準、電路、電源）

通過這個分工，每個團隊可以在自己之間處理問題，并通過相互溝通來解決問題。這可以防止一個人無休止地陷入一個問題，因為援助總是觸手可及。使這一切成為可能的最重要的是清楚地溝通自己的情況并考慮他人的個人情況。

團隊負責人的目的是安排會議，監督兩個團隊的進展，并在需要時傳達一個團隊對另一個團隊的要求。僅憑這一點當然是不夠的，因此他還致力于文檔編制，并盡可能提供幫助。除此之外，諸如購買之類的小任務都交給了任何有空的人。

第 7 章：方法論

使用的設備：

Arduino相關：

• NodeMCU V3（二）

• 電阻器

• 電線

• 太陽能板

• 太陽能控制器

• 升壓器

• 中繼

• 轉變

• USB電纜

• USB接口模塊

• 可充電電池

• 電池端口

• 互聯網連接模塊

• PH傳感器

• 濁度傳感器模塊

打印浮標

浮標的外殼將采用 3D 打印，最好使用有機材料，這樣外殼的腐爛將對環境造成最小的破壞。從長遠來看，一些材料不可避免地會腐爛，不管水的純度和其中的野生動物應該盡可能保持原樣。

BayWatch 旨在部署在主要不受控制的環境中，例如河流和湖泊，這意味著需要保護電子設備免受冬季霜凍或極端風暴等環境危害。主要問題是使設備防水，同時仍允許其執行預期任務。

圖 2. BayWatch 的早期草圖

BayWatch 將需要一個隔間，傳感器可以在其中不受干擾地完成任務，同時保護更精密的電子設備免受水損壞。如圖 2 所示，我們決定通過將浮標水平分成兩個腔室來解決這個問題：下半部分是空心的，除了讀取傳感器外，允許水進入并被不顯眼地讀取，上半部分充滿電路因此要保持干燥。一旦密封，就無法進入后者。更重要的是，BayWatch 上安裝了一種浮動環，確保敏感的一半保持在水面以上，幾乎消除了發生水損壞的機會并提供了進一步的穩定性。

數據采集

數據將在 NodeJS Web 服務器上收集，該服務器能夠通過特定端口處理數據輸入，如下圖 3 所示。

圖 3 早期 Web 服務器的數據傳輸

如果我們使用帶 wifi 的 arduino，我們就可以通過互聯網無縫傳輸數據。這些數據將存儲在數據庫中，由網絡服務器處理。一旦客戶請求數據，就可以通過從數據庫接收數據將其繪制在網站上。由于 BayWatch 的目的之一是檢測污染，因此浮標持續傳輸數據至關重要。因此，我們的目標是通過每 10 分鐘一次的輪詢來收集數據。對于現場演示，我們可能會降低此間隔以展示我們的產品。Web 服務器處理數據，并在通過發送電子郵件達到限制時發出警告。這種分析不是由微控制器完成的。我們知道水中有wifi的可能性很小，

數據使用/分析

我們表示數據的方式是通過本地網站。我們將使用實時更新提要繪制結果（圖 3）。該網站是交互式的，查看者可以在濁度讀數和 pH 讀數之間做出決定。通過這種方式，可以分析 BayWatch 所在水體的即時狀態。

在最理想的未來，我們將擁有我們所有位于不同河流位置的浮標的特設無線傳感器網絡，并將這些數據發送到我們（目前不存在的）公共網站。有了它，我們還可以放入一張地圖，用例如顏色來指示河流的健康狀況。紅色越深，河流的健康狀況越差，越藍越好。來自公眾的隱藏數據主要是來自傳感器的數據。即便如此，圖表將很好地描繪來自傳感器的傳入數據。將給出一系列可接受的值，超過這些值將觸發警報并派遣清理團隊。該網站的宣傳可以傳播意識，讓每個人都有機會了解我們河流的健康狀況，從而為好奇的人提供信息。

驅動數據

BayWatch 是一種物理靜態設備，僅由其傳感器讀取的值驅動。為了充分發揮數據的潛力，我們希望在數據值出現故障時采取行動。例如，當 pH 傳感器測量的值過高時，這意味著某些有毒物質已進入水中。當我們在一條河流中有不同的浮標時，我們可以準確地確定這種有毒物質的來源并隨后得出結論。例如，如果碰巧有一家公司靠近那個地方，可以聯系這家公司并詢問這是否是他們做的。

通過數據的驅動將用于警報目的。即便如此，此警報本身也不會由浮標本身發送，而是由上傳數據的服務器發送。

傳感器校準

因為我們使用了很多不同的傳感器，所以我們需要查看它們并討論它們是否需要校準。

pH 傳感器是最重要的工具之一，通常用于水測量。這種類型的傳感器能??夠測量水和其他溶液中的堿度和酸度。 [25] 因此，對于 PH 傳感器，有必要對其進行校準，因為如果不這樣做，可能會在此過程中出現一些測量誤差。（建議每月校準傳感器兩次。但也可以在電極已使用很長時間或需要非常精確的測量時進行）。校準過程將在下一章中說明。

然后是濁度傳感器。濁度傳感器通過將光束發送到待測水中來工作。然后，該光將被任何懸浮顆粒擴散。光檢測器與光源成 90 度角放置，并檢測反射回來的光量。 [26] 對于這種類型的傳感器，校準它不是很必要，但這是可能的。YSI 建議僅使用兩種類型的濁度解決方案才能成功校準。第一個是專門為 YSI 濁度傳感器準備和測試的 AMCO-AEPA 濁度標準。另一種是基于 Formazin 的標準品，可以自行制備、以特定指定值購買或以高濃度購買并稀釋。 [27]

不幸的是，我們沒有這些液體中的任何一種，所以我們使用了極端方法。肉眼可以輕易區分清水和腐水，因此我們用自己的感官來校準設備，即使這不是很準確。我們將使用水，將其與在傳感器中放入非透明塑料以及更透明的塑料進行比較，并記下讀數。

第 8 章：結果驗證

克服系統錯誤

圖 4. 在茶中使用 pH 計驗證傳感器讀數

重申一下，BayWatch 包含兩個用于測量數據的傳感器：一個 pH 傳感器和一個濁度傳感器。與任何傳感器一樣，尤其是那些按預算購買的傳感器，驗證輸入讀數非常重要，如圖 4 所示。

對于 pH 傳感器，我們能夠獲得一些 pH 計，以確保給定的讀數是準確的。我們在水和肥皂的混合物中測試了傳感器，然后再次用水和醋進行了測試，已知它們分別是堿性和酸性的。

為了讓傳感器輸出所需的值，首先需要對其進行校準。pH 傳感器使用 Arduino 的模擬輸出，該輸出以我們知道它在某些液體上使用的電壓的方式映射。我們需要 2 種受控液體，最好是具有相反的 pH 值幽靈，并且使用 pH 計，我們幾乎可以知道液體的準確值，這將用于校準傳感器。

然后我們記錄傳感器為 2 種液體輸出多少電壓。

圖 5. 用于校準 pH 計的數據

在圖 5 中，左列表示流體的實際 pH 值，右列表示傳感器與流體接觸時顯示的電壓。

對于要校準的傳感器，我們使用這些值來聲明 2 個確定值 k 和 Offset。

最終的 pH 值將按如下方式計算：

這 2 個值是使用圖 5 中的值通過以下公式計算得出的：

?

因此，對于我們的代碼，使用了 k = 18.70833333 和 Offset = 42.55916667。

pH值大多是準確的，但仍有誤差范圍，這也受pH計誤差范圍的影響很大。

計算電壓的方法是每次讀數平均取 40 個樣本，以確保獲得更準確的結果。

此過程有助于確保數據讀數中沒有系統錯誤。系統錯誤是指讀數不準確，這意味著即使是精確的數據讀數也將全部偏離真實值。

至于濁度傳感器，濁度計遠遠超出了我們提供的預算，所以我們用肉眼進行了驗證：當浮標放入的水變得太不清楚時，這個傳感器的讀數就會改變。雖然這種方法并不完全準確，但我們別無選擇，只能在這樣的相對框架中工作。

此外，濁度傳感器的讀數輸出約為 5V，而我們使用的 NodeMCU 只能感知 3.3V，這意味著我們需要映射我們的值，這會略微增加最終結果的不準確性。

它可能需要更準確的校準，但我們仍然可以區分臟水和干凈水，這對我們的目的很有幫助。

克服隨機錯誤

然而，即使是經過良好校準的傳感器也不可避免地會出現讀數的不確定性，也稱為隨機誤差。

就數據驗證而言，存在 3 種主要的數據驗證方式：傳入數據校正、錯誤數據檢測和進一步校正方法 [23]。考慮到我們每種傳感器只有一個，消除此類錯誤的方法并不多。

可以在本地處理傳入的數據并刪除明顯錯誤的讀數。我們決定傳入的數據應該在微控制器上本地處理，因為這樣可以更快地響應刺激；在現實生活中的應用程序中，時間至關重要。

arduino 的內存容量還允許協議可以在一定程度上減少讀數中的隨機錯誤。如前所述，數據將每 10 分鐘輪詢一次，此時 arduino 將得出這 10 分鐘內讀數的平均值。這應該會大大減少隨機錯誤。

此外，如果讀數突然變平并產生連續的 0 或其他形式的不切實際數據，則很明顯其中一個傳感器出現故障。除此之外，如果突然沒有數據輸入，則表明電源（即太陽能電池板或電池）無法運行或節點不再連接到互聯網。這種情況表明浮標必須手動收集和修復，因為盡管它是自主設計的，但 BayWatch 無法自行修復。

第 9 章：最終結果和結論

最終構造和功能評估

圖 6. 完成的電路

圖 7：草圖電路

盡管各個方面都運行良好，但在組合這些對象時開始出現錯誤。我們想使用 arduino wifi shield，但它有點舊，而且沒有很多文檔。我們沒有得到它來做發布請求。所以我們使用了 NodeMCU，不幸的是它只有 1 個模擬輸入，這不適合我們使用模擬輸入的 2 個傳感器的情況。我們決定使用二極管和一些巧妙的編程來構建一個電路，以在讀取 2 個感官輸入之間進行迭代。這適用于 2 個電位器，但是當我們連接濁度和 Ph 傳感器時，讀數不準確。在思考了該怎么做之后，我們決定使用 2 個 NodeMCU 并將數據發送到 2 個不同的數據庫。這樣做的好處是，如果一個微控制器發生故障，另一個微控制器仍然可以發送數據并且讀數更準確。將來我們可以連接這兩個并實施隨附的故障排除應用程序。

我們面臨的另一個問題是電源，當我們將 microUSB 直接連接到計算機進行測試時，它提供了穩定的 5 伏電壓，并且 PH 傳感器工作正常。然而，當它連接到電池和太陽能控制器時，它只能提供大約 3.1 伏的電壓。在測量引腳上的電壓時，我們得出結論，它太低了，無法獲得準確的讀數。所以我們得到了一個升壓器，可以把電壓升到5v。這使得 PH 傳感器正常工作。由于在使用并聯電路時電壓不會被分壓，我們可以很容易地連接 2 個需要小電流的微控制器。然而，下一個問題正在我們的路上；濁度傳感器需要 5 伏電壓才能工作，而我們使用的微控制器僅提供 3.3。將濁度傳感器直接連接到電源將不斷測量數據，這不是

繼電器由微控制器觸發，如果開啟，則從電池向濁度傳感器提供 5 伏電壓。我們在模擬引腳上使用了一個電阻器，因此來自濁度傳感器的較高電壓不會破壞微控制器。我們在本地網絡上對其進行了測試，最終電路（視覺圖 6，功能圖 7）工作正常。一個小組成員進行了最后一些神奇的、極其快速的計算，以確保 PH 傳感器是準確的，并且濁度也得到了微調。

當這種情況發生時，其他一些成員為浮標準備了實際情況。他們制作了防水橡膠板，為傳感器鉆孔，涂上防水材料并連接浮環。

不幸的是，第一次插入浮標時，pH傳感器壞了，導致虎頭蛇尾的失敗。即便如此，我們也沒有讓這讓我們灰心，繼續工作。在編寫本文檔時，我們只有圖 8，它是一個功能原型。它能夠讀取水純度值并將其發送到服務器以進行演示。即便如此，在我們看來，在提交此文檔后，我們將能夠完成 BayWatch 是毫無疑問的，因此圖 8 旨在作為即將到來的預覽。

圖 8：BayWatch，最終狀態

網絡服務器的設置需要相當長的時間。它是由我們的一位程序員在流行的 NodeJS 上構建的，使用 Express 來提供網頁服務。提供服務的網頁會自動向服務器發送 GET 請求，以檢查是否有任何新數據添加到數據庫中。該數據庫是一個簡單的 NeDB 數據庫，它是 MongoDB 的淡化版本。雖然很古怪，但它符合我們項目的目的，因為我們只是存儲值。數據使用流行的開源 ChartJS 顯示。您可以縮放和平移圖表，使數據可視化顯示河流的實時健康狀況，這對于提高意識也很重要。傳入的數據通過 http POST 請求協議（由微控制器）以 JSON 格式發送并放入數據庫。Web 服務器將時間戳添加到接收到的數據中。

現實生活中的可行性

正如已經闡明的那樣，水污染仍然很突出，因為打撈隊的延遲反應時間使得它可以匿名進行。也正是這種反應時間的延遲使污染變得如此具有腐蝕性，因為在污物從河流或海洋中清除之前，可能已經對環境造成了很大的破壞。因此，我們相信 BayWatch 可能確實是一個現實的解決方案，因為快速檢測廢物將增加反應時間并使當局能夠保護河流的水純度。

事實上，我們的浮標監測站的變體最近已經在現場使用。[33] 例如，我們與“可飲用河流”的創始人李安福討論了這個問題，李安福目前也在研究一個創造性的生物測量網絡，該網絡利用蛤蜊對水體中溶解顆粒的反應來確定污染量. 許多其他人采取了與我們類似的方法這一事實證實了我們的解決方案并非毫無根據。

然而，這個計劃確實有相當大的限制。例如，在撰寫本文時，污染法仍不足以阻止大公司停止污染，本質上使警務設備相當過時[34]。雖然這筆罰款數額不小，但通常只是公司妥善處理廢物所需費用的一小部分。只要這樣做無利可圖，這些公司就不會被阻止改變他們的程序。話雖如此，有證據表明即將出臺的法律將對此類公司施加更多限制，因此這種過時可能只是暫時的。

此外，人們擔心我們將使用的材料，因為使用 BayWatches 會適得其反，具有諷刺意味的是，從長遠來看，只會通過分解和升高垃圾堆 [35] 進一步損害環境。這可能很困難，因為海洋是最容易受到突然氣象變化影響的生物圈，并且可能會變得暴力，或者甚至可能來自經過的游輪不小心將浮標一分為二造成破壞。

未來展望

在目前的狀態下，BayWatch 是一個簡化的原型，并且可以繼續增強。現在它只擁有濁度傳感器和 pH 傳感器，但存在分析水體的替代方法，例如使用生物污染物或光譜讀數。浮標的尺寸可以增加，以便它可以使用更多的傳感器，從而可以更清楚地解釋其數據供應。

到目前為止，BayWatch 是一個單一的原型，然而，它被設計為大型 ad hoc 無線網絡中的一個節點。換句話說，真正的 BayWatch 將是一個大型浮標網絡，通過相互通信傳遞快速準確的讀數。這將帶來許多改進，例如，將一個原型設置為每 10 分鐘輪詢一次發送數據，但如果將多個節點設置為以不同的時間間隔進行連接，那么就會有源源不斷的數據流。此外，即使設備停止運行，網絡也可以繼續運行，這對于單個原型當然是不可能的。

總而言之，這個原型旨在展示 BayWatch 的基本功能，但它絕不代表它的全部潛力。作為一個自組織網絡，匿名進行污染肯定會使污染更具挑戰性，并且不再允許它在不被注意的情況下進行。

圖 9：未來可能浮標的渲染

圖 10：未來可能浮標的附加渲染

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