UnifiedWater v1 — 基于 Arduino MKR GSM 1400 的完整水质监测套件

零部件与材料

Arduino MKR GSM 1400	×1
Adafruit NeoPixel 环形灯 (WS2812 5050 RGB, 16颗)	×1
GY-21 温湿度模块	×1
浊度传感器 (光电晶体管输出)	×1
Adafruit 防水 DS18B20 数字温度传感器	×1
DFRobot Gravity: 模拟矛头式 pH 传感器/计套件	×1
SparkFun 12mm 轻触开关	×1
跳线 (若干)	×1
220Ω 电阻	×1

所需工具

电烙铁

软件与在线服务

Arduino Web Editor
SORACOM Air 物联网连接平台
SORACOM Harvest 数据采集
SORACOM Lagoon 可视化仪表盘

项目详解

概述

河流是生存与贸易命脉。过去十年全球致力减少水体污染，但污染源头在河流——人们不直接向海倾倒垃圾，而是倒入河流，最终随河流入海。数据是治理关键。UnifiedWater 旨在提供低成本、可规模化部署的设备，采集并分析水质数据，便于企业/个人协同监测。

企业模式 (模式 2)：多设备部署于河流不同节点，定时采集上传同一数据库，一键查看全流域状态。
个人便携模式 (模式 1)：随身携带，按键触发采样，30 秒后数据上传在线看板。

监测参数：水温、pH、浊度、大气温湿度 — 涵盖河流污染评估核心指标。

演示视频 | 效果图

UnifiedWater v1 — 基于 Arduino MKR GSM 1400 的完整水质监测套件

功能架构

前端设备：MKR GSM 1400 采集数据并经 GSM 上传 Soracom 云。两种工作模式：
• 模式 1：按键单次采样，适合间歇性监测
• 模式 2：定时自动采样上传，适合长期驻留监测

采集流程图示：

供电方案：LiPo 电池（板载接口）、移动电源、或 VIN 引脚外接电池。设备采样间隙深度睡眠以省电。

LED 环指示：三种状态
• 多彩循环：初始化/处理中
• 红闪：警告（需放入水中或错误）
• 蓝/绿渐进：正在采样，请置入水中

采样过程：传感器完全浸入水中。采样前 6 秒预热，建议预热期间即浸入以获最佳结果。

数据封装：以 JSON 发送至 Soracom，示例：

{
  "Latitude": 53.3474617,
  "Longitude": -6.2514529,
  "waterpH": 7.30,
  "waterTurbidity": 94,
  "waterTemp": 12.10,
  "atmoTemp": 14.50,
  "atmoHum": 82,
  "deviceID": 1,
  "deviceName": "device1",
  "epoch": 1559392636,
  "mode": 2
}

后端云平台：Soracom 生态
• Soracom Harvest 接收存储数据
• Soracom Lagoon 构建仪表盘：地图标记采样点（颜色反映污染度）、折线图趋势、汇总表格、邮件告警（pH/浊度异常）

可扩展性：多设备并发上传同一仪表盘，低成本易部署，支持 Soracom Krypton 批量注册。未来可实现跨组织共享仪表盘协作。

核心优势

极低运维成本，设备高度自治
轻松扩展，单机或集群部署均宜
实时采集上传，云端即时可视化
随时随地通过在线看板查看数据

硬件构建指南

步骤 1：物料清单

Arduino MKR GSM 1400
16灯 RGB LED 环
GY-21 温湿度模块
浊度传感器
防水温度传感器
pH 传感器及模块
轻触开关
220Ω 电阻
跳线若干

步骤 2：电路连接

建议焊接固化，面包板原理图如下：

MKR GSM 准备：焊好传感器后，装入 SIM 卡、GSM 天线、电池。本例用 2节 AA 电池经 VIN 供电。

步骤 3：代码逻辑解析

四大核心模块：

采集传感器数据
获取时间与地理位置
数据处理聚合
发送数据至云端

采集传感器数据：6 秒预热后循环 16 次，每次点亮一颗 LED。波动大的 pH/浊度各采 16 次取均值；高精度温度仅最后一轮采一次。

Serial.println("Taking Sample");
delay(6000); // 传感器预热
for (int i = 0; i < 16; i++) {
  if (mode == 1) strip.setPixelColor(i, strip.Color(0, 255, 0));
  else strip.setPixelColor(i, strip.Color(0, 0, 255));
  strip.show();
  waterTurbidity += getWaterTurbidity();
  waterPh += getWaterPh();
  if (i > 14) {
    waterTemperature = getWaterTemp();
    atmoTemperature = getAtmoTemp();
    atmoHumidity = getAtmoHumidity();
  }
  delay(500);
}
// 熄灭 LED 环

获取时间与地理位置：时间从同步 GSM 网络的板载 RTC 读取；经纬度从 GPRS 定位获取。

void getCredentials() {
  currentEpoch = processTime(); // RTC 时间
  while (!getLocation());       // 阻塞直到定位成功
}
bool getLocation() {
  if (location.available()) {
    latitude = location.latitude();
    longitude = location.longitude();
    return true;
  }
  delay(500); return false;
}

数据处理：计算均值，串口打印，生成 JSON 字符串。

void processData() {
  waterPh /= 16; waterTurbidity /= 16;
  // 串口输出各项数值...
}
String makeLine() {
  // 拼装 JSON 字符串，含所有字段
  return dataReturned;
}

发送数据：HTTP POST 至 harvest.soracom.io，打印服务器响应，随后进入睡眠等待下一次触发。

void parseData(String dataToSend) {
  if (client.connect(url, 80)) {
    client.println("POST / HTTP/1.1");
    client.println("Host: harvest.soracom.io");
    client.println("User-Agent: Arduino/1.0");
    client.println("Connection: close");
    client.print("Content-Length: "); client.println(dataToSend.length());
    client.println(); client.println(dataToSend);
    // 读取响应...
  }
}