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辜騰玉攝影

河川水質汙染問題層出不窮,民眾舉發時往往為時已晚,政府監測工作每月一次,亦是防不勝防。一位虎尾科技大學學生為此開發了一套可以自動化進行檢測,即時回傳資料的水質監測系統,結合多旋翼無人機作為載具,讓監測工作不再需要耗費龐大的預算與人力,用開源低成本的軟硬體,即可達到水質汙染的即時預警功能。

現行政府單位的水質監測工作外包給廠商,針對全國57個重要流域,一共監測317個資料點。每個月出動一組現場採樣人員到各個特定站點,做現場水質檢測,並取樣回實驗室作完整的品保檢驗。這樣的例行工作雖能抓出不少長期排放汙水的業者,但對於突發性的水質污染,無法及時取締。

由虎尾科技大學動力機械系三年級學生張東琳在去年所開發出來的水質監測系統,只需要一名人員在家中遠端操控多旋翼無人機,就能自動化投放與回收無線水質感測模組。水質感測模組自行在河中漂流,透過無線隨時傳輸水質資訊。不僅可以監測到許多人員難以到達的河川位置點,也能即時連續性的回傳水質資訊。

以北港溪作為測試對象,這個無線水質感測模組流經上游、中游到下游,一周的時間內可收集超過300個資料點。而政府單位對北港溪的水質監測則是每月一次,每次監測9個資料點,且監測工作完全由人工進行。

 

虎尾科技大學動力機械系三年級學生張東琳在去年所開發出來的水質監測系統,以北港溪作為測試對象,讓這個無線感測模組流經上游、中游到下游,一周的時間內可監測超過300個資料點。而政府單位對北港溪的水質監測則是採人工作業,每月只監測9個資料點。

環保署也想做到自動監測,即時警示功能

針對這項由學生開發出來的水質監測系統,環保署水質保護處專門委員魏文宜表示:「可以即時知道水質資訊,是這套系統的優勢。」其實環保署也在社子溪、客雅溪這兩個流域設立了試驗性的自動檢測站,就是希望能掌握即時的水質資訊與變化量,做到異常水質的警示功能,但目前還在測試階段。

魏文宜也表示:「雖然學生所監測到的數據無法作為法定處分依據,但可以達到即時警示的功能。」若發現水質有明顯的變異或惡化狀況,可以透過管道,由合法單位做進一步的檢測。在監測技術上,她則表示,需考慮標準監測方法的適用性。魏文宜對於學生自發性的研發,有助水質監測工作的提升,給予極大肯定,也有意做進一步的了解。

使用開源硬體Arduino,7天就能上手

這項水質監測系統的開發者張東琳在今年7月的開源人年會(COSCUP)中,公開分享了開發的過程與成果。他表示,會做這項水質監測工作,是因為平常喜歡騎著腳踏車到處跑,發現到雲林附近的河川水質汙染都很嚴重,讓人不敢接近。上網搜尋後,發現政府單位的水質監測作業每月一次,且需耗費大量的人力成本,他開始思考,是不是能夠運用資訊科技,開發出一套優化監測工作的系統。

剛好在大二時,張東琳接觸到Arduino開源硬體,發現寫程式變成一件很簡單的事情,可以更容易地開發出軟硬體。在Arduino開發平臺上,強調技術的共享,不僅軟體原始碼開源,連硬體電路設計圖都開源。

張東琳表示,Arduino開源硬體讓開發時間縮短很多,之前使用的是8051控制晶片,操作上比較複雜,不夠人性化,從入門到上手需要花數周到幾個月的時間,但使用Arduino只花了7天就上手,還可以做一些以前辦不到的事情。

整套水質監測系統的開發分成兩個部分,同步進行。一個是開發無線水質感測模組,讓水質監測不受地理、時空限制,可以遠端監控,即時回傳水質資訊。另一個則是開發多旋翼無人機作為載具,使水質監測執行過程的機動性提高,也省去人力成本。

在開發無線感測模組的部分,張東琳蒐集了政府單位做水質檢測的相關資料,購買所需的化學感測器。主要檢測的水質資訊包括水溫、酸鹼值(pH)、氧化還原值(ORP)、電導度(EC)、溶氧量(DO)、濁度(SS)等。

這幾項化學感測器大約花了五千多元,雖然無法像政府一樣,再取樣送回實驗室做更多項目的檢驗,但是已經達到現場採樣人員所做的基本檢測項目。

接著,張東琳將網路購買的Arduino控制晶片,結合GPS全球衛星定位系統、GSM全球行動通訊系統這兩個模組,再裝上化學感測器,並寫程式去即時取得水質資訊,完成第一代無線水質感測模組。同時,張東琳運用Google Earth所提供的地理資訊與開發功能,花了2周的時間,開發出可以遠端監控與分析資訊的介面。整個無線水質感測模組所需的軟硬體從開發到測試花了半年的時間。

虎尾科技大學動力機械系學生張東琳將Arduino控制晶片,結合GPS全球衛星定位系統、GSM全球行動通訊系統這兩個模組,再裝上化學感測器,並寫程式去即時取得水質資訊,完成第一代無線水質感測模組。

GSM網路覆蓋廣,自動發送水質監測結果簡訊

這個無線的水質感測模組,可以透過遠端監控,隨時呼叫感測器,即時回報所在地的GPS座標與水質資訊,也可以設定定時自動回傳的功能,或者,設定當異常狀況時做即時的回報,達到預警功能。這些規則,都可以透過撰寫程式來完成。

而上面所加裝的GSM模組,就是一般手機所用的3G網路,網路覆蓋廣。透過GSM可以發送簡訊,回傳水質資訊。未來,張東琳表示,希望水質資訊不只是回傳給他自己,而是建立一個資料庫平臺來搜集所有回傳的資訊,讓全國人民都可以用自己的手機、平板或電腦,隨時隨地登入平臺,了解水質狀況,即時關心週遭環境發生的事情。

爲為了方便管理與呈現資料,張東琳運用Google Earth開發遠端監控的介面,用GPS回傳的定位資訊,在地圖上標出不同位置點的水質資訊,用GIS做更多的分析。如此一來,不僅能即時收到警訊,也能結合周遭的地理資訊,找出汙染的可能原因。

為了方便管理與呈現資料,虎尾科技大學動力機械系學生張東琳花了2周的時間,運用Google Earth開發出可以遠端監控介面,將GPS回傳的定位資訊,在地圖上標出不同位置點的水質資訊,再用GIS做更多的分析。如此一來,不僅能即時收到水質污染警訊,也能結合周遭的地理資訊,找出汙染的可能原因。

用輕量化碳纖維,打造水質監測專用的多旋翼無人機

另一個開發的重點,張東琳結合多旋翼無人機作為載具,提高監測工作的機動性。透過一套開源飛控系統,讓多旋翼無人機代為執行任務,達到自動化的投放與回收工作。張東琳表示,在結合載具之前,他們常常必須拿著網子去打撈回收這個感測模組。

這架多旋翼無人機由張東琳親手組裝,雖然網路上可以買到整套的多旋翼飛行器,但他卻選擇自己打造出適合做水質監測的載具。考慮載重及續航力,他使用碳纖維等輕量化的材料,也減輕不必要的結構。

多旋翼組成元件包括馬達、螺旋槳、飛控電腦、GPS模組、碳纖維材料等,大約花了2萬塊,張東琳表示,這些元件都很好取得,飛行控制系統則使用開源的軟硬體。此外,他們針對載重而設計,一般多旋翼若載重超過1.5公斤就會讓飛行時間縮短,但他們打造的多旋翼可載重2.5公斤,依然順暢飛行。

多旋翼無人機上面加裝一般的CCD鏡頭,解析度約15萬畫素,可進行無線影線傳輸。張東琳也表示,若要做於空拍用,可用GroPro相機取代CCD鏡頭,錄製超過800萬畫素的4K高解析度影片,但缺點是不能及時回傳這些影像。另外,機上所有設備皆靠電池供電,採用遙控模型常用的鋰聚合物電池,蓄電力較高。

開源飛控系統帶動多旋翼無人機的盛行

而張東琳所使用的飛控系統來自3DRobotics公司,是一套開源系統。其實過去要打造一臺多旋翼無人機並不是一件容易的事情。除了硬體之外,還必須自行開發出一套可用的飛控系統,技術門檻高且須花費很多時間來完成。

然而,在幾年前,Wired雜誌總編輯Chris Anderson在與小孩玩遙控飛機的過程中,找到了對無人飛行器的靈感,他因此投入了無人飛行器的領域,創立了3DRobotics公司,並建立了一個業餘無人飛行器(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)的社群平臺DIYDrones.com,將所有資訊與技術公開。

DIYDrones.com開放讓所有的人上來分享他們的無人機飛行經驗,大家不僅分享照片,也分享程式碼與設計的檔案,彼此交流。後來這個平臺逐漸擴大,成為一個跨國專案,靠眾人的力量一起維護開源的飛控系統,也帶動了多旋翼的盛行。

將結合社群力量,落實全國河流的水質監測

隨著越來越多的開源軟硬體,讓技術開發的門檻不斷降低,張東琳就是善用開源軟硬體,用自己有限的零用錢,開發出低成本的無線水質監測系統。未來,張東琳希望未來能夠透過社群平臺,結合眾人力量,將這個模式複製到全國319個鄉鎮,129個水系。他表示,像這種大型的社會議題,如果學生都做得到,他相信結合眾人力量一定可以完整地落實全國河流的水質監測,為環境一手把關。

為考慮載重及續航力,虎尾科技大學動力機械系學生張東琳使用碳纖維等輕量化的材料,減輕不必要的結構,自行打造一臺多旋翼無人機作為水質監測載具,讓投放與回收的工作由載具進行,增加監測工作的機動性。

 

水質監測系統的多旋翼無人機,由一套3DRobotics公司提供的開源飛控系統所操控,搭配自製控制程式,設定好水質感測器的投放點,多旋翼無人機就能自己完成任務。

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