BIOLIGHT:有害藻華監(jiān)測

描述

描述

在許多地區(qū)，有害的藻華是一個嚴重的環(huán)境問題。可能對人類健康、水生生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟產(chǎn)生不利影響的有毒藻類大量繁殖的例子包括赤潮、藍綠藻和藍藻。

這些花朵會產(chǎn)生極其有害的毒素，使人和動物不適甚至死亡。它們還會制造完全破壞生態(tài)系統(tǒng)的死區(qū)。

解決方案

葉綠素存在于藻類中，藻類是一種光合生物。一種稱為熒光測定法的技術用于測量材料在使用不同波長的光（熒光）激發(fā)時發(fā)出的光量。

（熒光）來源：https://www.wpiinc.com/

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（葉綠素的熒光）

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當在白光下看到葉綠素時，它呈綠色。這有助于我們發(fā)現(xiàn)和檢測藻類的存在。

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BIOLIGHT 是一款內(nèi)置 MCU、無線電和傳感器的智能浮標。它每天測量 Alage 的存在，并監(jiān)測生長是快速還是持續(xù)。

光學

為了激發(fā)葉綠素，使用470nm LED 光源，并使用僅測量680nm 的光譜傳感器測量發(fā)射光譜。此外，530nm 長通濾光片用于過濾所有波長低于 530nm 的光。

（長通濾波器傳輸數(shù)據(jù)）

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電子產(chǎn)品

waveConnect - 使用 LoRa E5 的定制板

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BIOLIGHT 使用我專門為低功率應用設計的定制開發(fā)板 waveConnect，用于收集太陽能和為電池充電。waveConnect（開源并通過OSHWA認證）使用來自 Seeedstudio 的LoRa E5 ，它是一個 MCU 和一個 LoRa 無線電。Seeed LoRa-E5 LoRa 模塊是一款低成本、超低功耗、極小的高性能 LoRa 模塊。它有STM32WLE5JC，這是一個結合了LoRa Radio和ARM Cortex-M4 MCU的SoC。

固件

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BIOLIGHT 的固件基于 ARM 的 MBED 操作系統(tǒng)。您可以使用出色的Mbed OS框架來閃存 waveConnect。簡單的方法是使用Mbed Studio IDE。該板是基于stm32customtargets中提供的 LoRa E5 mini 開發(fā)的。LoRaWAN 固件基于主固件mbed-os-example-lorawan程序。

連接傳感器

BIOLIGHT 使用Adafruit 的AS7341 Spectral Sensor Breakout （由AMS制造的傳感器）。AS7341 是一款用于顏色檢測和光譜分析應用的 11 通道多光譜傳感器。光譜響應定義在大約 350nm 到 1000nm 的波長范圍內(nèi)。該傳感器基于 i2c，使用 Qwiic/STEMMA QT 接口系統(tǒng)。

光譜響應度

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LoRa E5 的默認 i2c 引腳為 PA_15 和 PCB_15，它們直接連接到 waveConnect 板中的 Qwiic 連接器。

I2C i2c(PA_15, PB_15); // SDA pin, SCL pin

光源（藍色 LED）由引腳 PB_5 控制

DigitalOut lighSource(PB_5);

Buoy內(nèi)部的設置

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根據(jù)組裝示意圖，整個裝置安裝在 3D 打印的浮標內(nèi)。

我們首選的3D打印機

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我們根據(jù)項目需要開始在內(nèi)部進行 3D 打印，并在Artillery sidewinder X2上進行打印。Artillery 還提供各種價格合理的 3D 打印機，打印機的質量非常好，對于我們的目的來說，它已經(jīng)綽綽有余了。如果您也在尋找高質量的 3D 打印機，請查看Artillery的系列產(chǎn)品。

校準

3D 打印浮標底部的窗口。

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傳感器需要校準，因為窗口的折射率會隨著材料的變化而變化，這是原因之一。我使用了常見的 BK7 玻璃窗。

BK7的折射率

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我們需要對傳感器進行兩次實驗以獲得一些有意義的讀數(shù)。要監(jiān)測水中藻類的存在，必須首先計算光譜反射率。要計算 0.0 到 1.0 范圍內(nèi)的反射率，必須首先測量最小和最大反射率。

• 實驗 1 - 暗讀數(shù)：

為了獲得暗讀數(shù)，可以將傳感器放在漆黑的房間里，然后進行測量。平均 10 到 15 個讀數(shù)將適用于此實驗。附近不得有光源/光源。

• 實驗 2 - 最大讀數(shù)：

第二個實驗是記錄傳感器可以從光源記錄的最大反射率。為此，可以使用光譜傳感器中的內(nèi)置 LED。如果沒有內(nèi)置 LED，可以使用白色 LED。LED 和傳感器必須在同一平面上。執(zhí)行此實驗需要一個前表面鏡，如下圖所示。這就是使用前表面反射鏡的原因。

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1 / 2 ?前表面鏡。

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必須為光譜傳感器的所有 11 個通道獲取這些讀數(shù)。通過使用以下公式，可以計算傳感器之前保存的任何樣品的反射率。

float reflectance=(value - min_reflectance_value)/(max_reflectance_value - min_reflectance_value);

未來的作品

至此，只能計算出每個通道的反射率。此外，僅使用 680nm 通道數(shù)據(jù)并根據(jù)水中藻類含量的已知值校準反射率，將創(chuàng)建一個尺度來預測水體中藻類的生長。