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使用物聯(lián)網(wǎng)來(lái)創(chuàng)建能源需求側(cè)響應(yīng)

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資料介紹

描述

注意：由于 Arduino Opla 物聯(lián)網(wǎng)套件遲到，我們決定使用 ESP 制作這個(gè)項(xiàng)目，但是它可以很容易地用 Arduino 物聯(lián)網(wǎng)套件復(fù)制。使用它將使項(xiàng)目不那么復(fù)雜，但我們當(dāng)時(shí)沒(méi)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(jīng)忘記了這一點(diǎn)，因?yàn)樗趲资甑倪^(guò)程中不斷污染水源。截至目前，海洋中漂浮著多個(gè)巨大的垃圾帶，積累了大約 1、15 到 2、4100 萬(wàn)噸垃圾[13]。結(jié)果，環(huán)境逐漸發(fā)生變化，我們水域的 pH 值上升，這對(duì)以海洋和河流為家的物種構(gòu)成威脅，這只是眾多例子中的一個(gè) [31]。如果任由這種趨勢(shì)持續(xù)下去，無(wú)疑會(huì)危及人類的生存條件。

盡管環(huán)境意識(shí)有所提高，但污染仍在發(fā)生的主要原因之一是因?yàn)槲廴就ǔＪ悄涿?，因?yàn)閹缀醪豢赡茏匪菸廴綶32]。因此，我們啟動(dòng)了一個(gè)項(xiàng)目，在該項(xiàng)目中，我們將制造一種能夠漂浮在任何水體表面并檢測(cè)何時(shí)發(fā)生污染的設(shè)備。在這種情況下，它將迅速向地方當(dāng)局發(fā)出警報(bào)，以便首先挽救泄漏，其次對(duì)肇事者進(jìn)行相應(yīng)的懲罰。因此，我們分別將我們的設(shè)備命名為“The BayWatch”。我們的名字是團(tuán)隊(duì) Flotilla，我們將致力于將其作為一個(gè)可行的解決方案推出。特此記錄我們的程序。

第一章：文獻(xiàn)綜述

第1條

智能家居能源的未來(lái)

本文討論了使用物聯(lián)網(wǎng)來(lái)創(chuàng)建能源需求側(cè)響應(yīng)。這方面的一個(gè)例子是連接到互聯(lián)網(wǎng)的電動(dòng)汽車和智能電表。在這種情況下，可以選擇在能源便宜時(shí)為電動(dòng)汽車充電。

此外，它還談到了互聯(lián)網(wǎng)提供的讓不同品牌的設(shè)備相互通信的解決方案。以前只能在同一個(gè)品牌中實(shí)現(xiàn)的東西。

這種類型的能源供應(yīng)的一個(gè)困難是需要確定需求價(jià)格，以便決定是否改變對(duì)供應(yīng)價(jià)格的需求。[1]

研究這種需求側(cè)響應(yīng)的概念并將其應(yīng)用于太陽(yáng)能可能是一個(gè)想法。例如，房屋的太陽(yáng)能電池板有時(shí)會(huì)產(chǎn)生過(guò)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(dòng)汽車充電。

第二條

脫碳航運(yùn)：全力以赴

海運(yùn)業(yè)占全球運(yùn)輸?shù)?80%。德勤與殼牌正在研究如何使該行業(yè)更具可持續(xù)性。通過(guò)與 80 位高級(jí)管理人員的對(duì)話，該研究認(rèn)識(shí)到需要一種基于 3 項(xiàng)原則的方法；采用生態(tài)系統(tǒng)視角，從大處著眼，從小處著手，快速擴(kuò)展，關(guān)注行為和觸發(fā)因素。基于這些原則，該報(bào)告提出了 12 種可能的解決方案，以使該行業(yè)到 2030 年實(shí)現(xiàn)凈零船舶在水上航行。

航運(yùn)業(yè)正在蓄勢(shì)待發(fā)，但為了實(shí)現(xiàn) IMO 2050 的雄心，已經(jīng)沒(méi)有多少時(shí)間可以浪費(fèi)了。[2]

第三條

介紹紡織品和服裝的可持續(xù)性挑戰(zhàn)

服裝業(yè)是二氧化碳排放量的巨大貢獻(xiàn)者，因此也是氣候變化的主要原因。出現(xiàn)這種情況是有某些原因的。貿(mào)易的快速全球化和不斷擴(kuò)大的服裝市場(chǎng)促成了服裝的大規(guī)模生產(chǎn)，因此也促成了許多與環(huán)境有關(guān)的有害活動(dòng)。廉價(jià)勞動(dòng)力和向國(guó)家外包使大型組織很容易在沒(méi)有真正考慮環(huán)境的情況下進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。當(dāng)今的時(shí)尚行業(yè)瞬息萬(wàn)變，潮流瞬息萬(wàn)變。

當(dāng)然，這給這個(gè)行業(yè)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。由于供應(yīng)鏈非常長(zhǎng)，因此很難識(shí)別和解決有關(guān)可持續(xù)性的問(wèn)題。一些措施已經(jīng)在采取。非政府組織刺激消費(fèi)者向供應(yīng)施壓，以生產(chǎn)更可持續(xù)和公平生產(chǎn)的服裝。讓需求部門意識(shí)到該行業(yè)的可持續(xù)性問(wèn)題是解決方案的一部分。根據(jù)文章，我們還應(yīng)該對(duì)環(huán)境規(guī)則不嚴(yán)格的國(guó)家實(shí)施更好的規(guī)章制度。此外，供應(yīng)商應(yīng)承擔(dān)更多責(zé)任，使行業(yè)更具可持續(xù)性。還需要學(xué)者來(lái)研究和開(kāi)發(fā)更可持續(xù)的生產(chǎn)鏈的想法[3]。

第四條

肉類消費(fèi)

食品工業(yè)對(duì)氣候變化負(fù)有很大一部分責(zé)任。它占地球排放量的三分之一。肉類行業(yè)對(duì)排放有很大影響。這些動(dòng)物以其他植物為食，因此當(dāng)肉類需求增加時(shí)，對(duì)植物的需求也會(huì)增加。1 公斤小麥會(huì)產(chǎn)生 2.5 公斤的溫室氣體，而一公斤牛肉會(huì)產(chǎn)生 70 公斤。氣候變化也會(huì)影響糧食生產(chǎn)，約三分之一的生產(chǎn)將因氣候變化而處于危險(xiǎn)之中。建議人們?cè)谠敢獾那闆r下改變他們的飲食習(xí)慣。當(dāng)你停止吃肉或少吃肉時(shí)，碳足跡會(huì)少得多[4]。

第五條

全球三分之一的糧食生產(chǎn)面臨氣候危機(jī)的威脅

氣候變化是導(dǎo)致種植或生產(chǎn)農(nóng)作物變得更加困難的原因。農(nóng)作物的增長(zhǎng)一直在下降。這是由溫度變化引起的，這可能導(dǎo)致洪水、干旱或其他自然災(zāi)害。由于地球的一部分已經(jīng)沒(méi)有多少食物，這場(chǎng)氣候危機(jī)將對(duì)越來(lái)越多的人產(chǎn)生影響。據(jù)估計(jì)，如果我們不采取措施，大約三分之一的糧食生產(chǎn)將面臨風(fēng)險(xiǎn)。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(shù)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]。

第六條

野火傷害

野火可能由于各種原因而發(fā)生，但數(shù)據(jù)表明它們更有可能發(fā)生在高溫下。除了對(duì)生命的威脅外，野火還會(huì)向大氣中釋放大量的二氧化碳，這種現(xiàn)象與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排放的廢氣相似。

此外，據(jù)預(yù)測(cè)，隨著溫度的升高，野火的數(shù)量將隨著嚴(yán)重程度的增加而變得更加頻繁[6]。

第七條

腐蝕性自然災(zāi)害

盡管氣候變化與地震和颶風(fēng)等自然災(zāi)害之間存在間接聯(lián)系，但通過(guò)氣候變化催化的不穩(wěn)定氣候?qū)?dǎo)致更嚴(yán)重的自然災(zāi)害。文章指出，地震或颶風(fēng)等事件可能已經(jīng)具備釋放的必要條件，所需要的只是進(jìn)一步推動(dòng)。氣候變化在這方面不會(huì)是推動(dòng)，而是推動(dòng)[7]。

第八條

洪水和對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的進(jìn)一步破壞

在更北部的西方社會(huì)中發(fā)生的自然災(zāi)害的一個(gè)特例是洪水的威脅。尤其是在德國(guó)，被洪水淹沒(méi)的城市已經(jīng)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(shù)量和密度的水。結(jié)果，當(dāng)垮臺(tái)確實(shí)發(fā)生時(shí)，它比前幾年更加嚴(yán)峻。這在城市環(huán)境中尤其危險(xiǎn)，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致泥石流，甚至在此過(guò)程中破壞基礎(chǔ)設(shè)施 [8]。

第九條

三個(gè)世紀(jì)以來(lái)土地利用和氣候變化對(duì)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(tài)系統(tǒng)帶來(lái)越來(lái)越大的壓力，對(duì)生物多樣性、水資源、養(yǎng)分和碳循環(huán)產(chǎn)生影響。本文全面分析了過(guò)去 300 年氣候變化和土地利用對(duì)陸地生物圈的影響。到 21 世紀(jì)初，土地利用和氣候變化共同導(dǎo)致了 90% 以上的耕地面積發(fā)生了重大變化，相當(dāng)于全球 26% 的土地面積。[9]

第十條

使用耦合氣候-碳循環(huán)模型的陸地生物圈對(duì)二氧化碳和氣候變化的全球響應(yīng)

本文通過(guò)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(lái)描述陸地生物圈對(duì)氣候變化的響應(yīng)。到 21 世紀(jì)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(qū)，溫度升高會(huì)降低土壤含水量，從而導(dǎo)致陸地 CO2 凈吸收量減少 80%。結(jié)果，熱帶碳儲(chǔ)存在模擬結(jié)束時(shí)飽和，一些地區(qū)成為二氧化碳的來(lái)源。在北部高緯度地區(qū)，溫度升高會(huì)刺激陸地生物圈，進(jìn)而導(dǎo)致土地吸收增加。

總體而言，負(fù)面氣候影響遠(yuǎn)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(lái)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(duì)調(diào)節(jié)大氣成分和氣候具有重要作用。土地利用變化、農(nóng)業(yè)和廢物管理等人為活動(dòng)已經(jīng)改變了陸地生物源溫室氣體通量，由此導(dǎo)致的甲烷和一氧化二氮排放量的增加尤其會(huì)導(dǎo)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(dǎo)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(guó)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(zhǎng)。以至于長(zhǎng)江流域的環(huán)境污染直接影響到ECS（東海）的海洋環(huán)境狀況[12]。污染如此嚴(yán)重，以至于這些地區(qū)的人口健康狀況也在下降。盡管最大的挑戰(zhàn)是將促進(jìn)可持續(xù)性和環(huán)保決策作為優(yōu)先事項(xiàng)。但為了讓中國(guó)實(shí)現(xiàn)他們的想法，他們很可能需要國(guó)際合作的支持。

第十三條

海洋內(nèi)的垃圾處理

在 The Ocean CleanUp [2] 的網(wǎng)站上，他們提到了海洋中的塑料對(duì)野生動(dòng)物和人類的影響。在本文中，通過(guò)幾個(gè)示例提到了大太平洋垃圾補(bǔ)丁 (GPGP) 的影響。其中之一是，由于生物累積，塑料最終也會(huì)進(jìn)入我們的身體。這會(huì)導(dǎo)致所有受體內(nèi)毒素影響的物種的健康問(wèn)題。此外，海洋生物不僅會(huì)因體內(nèi)的毒素而死亡，還會(huì)在所謂的“鬼網(wǎng)”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(jīng)濟(jì)影響。他們?cè)?The Ocean CleanUp 的網(wǎng)站上表示：“根據(jù)與德勤合作進(jìn)行的一項(xiàng)研究，海洋塑料造成的每年經(jīng)濟(jì)成本估計(jì)在 6-190 億美元之間。成本源于其對(duì)旅游業(yè)、漁業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)以及（政府）清理工作的影響。這些成本不包括對(duì)人類健康和海洋生態(tài)系統(tǒng)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(dāng)今世界的現(xiàn)象日益增多。世界各地的野火數(shù)量正在迅速增加。如此之多，以至于 2018 年在加利福尼亞發(fā)生了有史以來(lái)最大的野火。據(jù) BBC 新聞 [14] 報(bào)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(dòng)物的生命處于極度危險(xiǎn)之中，而歷史悠久的紅杉樹(shù)也在死亡。2020 年的城堡大火殺死了 10.000 多棵大紅杉樹(shù) [14]。這更加危及我們的空氣純度。現(xiàn)在，由于極端火災(zāi)，更多的二氧化碳最終進(jìn)入空氣，而由于樹(shù)木數(shù)量減少，尤其是紅杉，被過(guò)濾的二氧化碳減少了。現(xiàn)在在視頻中，他們提出了讓格林維爾這個(gè)完全被大火吞噬的村莊成為可持續(xù)發(fā)展城市的想法。

第十五條

消費(fèi)模式交替

存在價(jià)值行動(dòng)差距。大多數(shù)人可能支持環(huán)保信念，但沒(méi)有多少人會(huì)為了購(gòu)買更環(huán)保的產(chǎn)品而放棄個(gè)人利益（即價(jià)格、便利性）。黑暗和不祥的氣候變化預(yù)測(cè)已經(jīng)顯示出灌輸一種宿命論的無(wú)助感。建設(shè)性樂(lè)觀的信息將反駁這一點(diǎn)。在促使人們購(gòu)買更環(huán)保的產(chǎn)品時(shí)，使用社會(huì)規(guī)范的運(yùn)動(dòng)效果最大。綠色行為具有正向和負(fù)向溢出效應(yīng)。研究表明，專注于一個(gè)綠色方面的家庭在其他方面的污染程度更高。綠色行動(dòng)，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(fèi)主義不再是一種道德選擇，而是一種標(biāo)準(zhǔn)，將最大程度地提高它。[15]

第十六條

有關(guān)氣候變化的信息

知識(shí)在改變?nèi)藗兊男袨橐詫?shí)現(xiàn)更可持續(xù)的生活方式方面的作用是值得商榷的。參與個(gè)人的認(rèn)知、體驗(yàn)和情感方面可能更有效。應(yīng)結(jié)合這些因素，也稱為變革性可持續(xù)性學(xué)習(xí) (TSL)，以獲得更有效的環(huán)境和可持續(xù)性教育 (ESE)。在這個(gè)主題上接受適當(dāng)?shù)慕逃赡軙?huì)改變消費(fèi)者文化，從而有可能專注于個(gè)人更具挑戰(zhàn)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(huán)境中的回收利用

該論文基于英國(guó)伯恩利區(qū)的回收率。研究發(fā)現(xiàn)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)背景較低的人傾向于減少回收利用，這主要是因?yàn)榭赡茌^小的房產(chǎn)中可用的存儲(chǔ)空間較少。那些進(jìn)行回收的人是有更多時(shí)間（老年人，非父母）和更大財(cái)產(chǎn)的人。絕大多數(shù)是回收計(jì)劃，但對(duì)所提供的服務(wù)不滿意，其中包括易于獲取的信息和實(shí)施的回收計(jì)劃。使其更加可靠和方便將對(duì)回收的人數(shù)產(chǎn)生最大的影響。[17]

第十八條

車輛排放

交通運(yùn)輸占全球二氧化碳排放量的 26%，是為數(shù)不多的排放量仍在增長(zhǎng)的工業(yè)部門之一。因此，本文重點(diǎn)介紹減少大排放群體排放的方法，例如汽車、公路貨運(yùn)和航空的使用。在本文中，技術(shù)創(chuàng)新似乎不太可能是解決氣候變化問(wèn)題的唯一方法。因?yàn)楫?dāng)我們要減少交通部門的排放時(shí)，更重要的是要改變?nèi)藗兊男袨椤?/font>總之，行為改變是減少大部分交通部門排放的關(guān)鍵因素，盡管技術(shù)會(huì)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(lì)同事拼車并通過(guò)共同的旅行計(jì)劃共享上班行程。 [18]

第十九條

工業(yè)車輛排放

在本文中，很明顯，客運(yùn)和貨運(yùn)占全球一次能源使用的近四分之一以及與能源相關(guān)的溫室氣體 (GHG) 排放。由于中國(guó)和印度等工業(yè)化國(guó)家的崛起，預(yù)計(jì)這一比例將在未來(lái)幾年內(nèi)增加。因?yàn)橛斜匾獪p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(wèn)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(yīng)該集中在減少單位排放量（或能源）運(yùn)輸任務(wù)（例如每乘客公里二氧化碳當(dāng)量公斤數(shù)），還是我們應(yīng)該專注于減少乘客運(yùn)輸任務(wù)本身？他們?cè)谖恼轮薪o出的答案很模糊，但他們提出的主要觀點(diǎn)是，每輛汽車每公里二氧化碳排放量的減少量很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槊可剂陷斔偷狡囉拖涞妮斎肽茉闯杀竞芨摺?/font>一個(gè)之前沒(méi)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(guò)采用降低汽車出行的門到門速度優(yōu)勢(shì)的交通政策來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，降低限速、封路、限制內(nèi)城車輛通行以及限制停車。[19] 這可以通過(guò)采用降低汽車出行的門到門速度優(yōu)勢(shì)的交通政策來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，降低限速、封路、限制內(nèi)城車輛通行以及限制停車。[19] 這可以通過(guò)采用降低汽車出行的門到門速度優(yōu)勢(shì)的交通政策來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，降低限速、封路、限制內(nèi)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(xù)上升，人們正在考慮多種解決方案來(lái)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(dāng)前流行的術(shù)語(yǔ)，用于對(duì)地球如何運(yùn)作以減緩或逆轉(zhuǎn)氣候變化的影響進(jìn)行大規(guī)模干預(yù)。理論上，“地球工程”這個(gè)詞可以可用于描述幾乎任何應(yīng)對(duì)氣候變化的大規(guī)模概念）。本文考慮了一項(xiàng)在全球范圍內(nèi)采用的個(gè)人行動(dòng)（減少私人車輛的二氧化碳排放）如何產(chǎn)生與地球工程相當(dāng)?shù)男Ч?[20]

第 2 章：識(shí)別一般問(wèn)題和挑戰(zhàn)

二氧化碳排放自然災(zāi)害

森林大火造成大量二氧化碳排放，據(jù)有關(guān)檢查文章稱，這是導(dǎo)致全球變暖的重要因素。當(dāng)然，此類火災(zāi)對(duì)生物圈的破壞帶來(lái)了進(jìn)一步的負(fù)面外部性，例如野生動(dòng)物的枯萎和對(duì)生命的直接威脅，其中也包括人類。

自然災(zāi)害增加

由于氣溫升高，例如森林砍伐，森林火災(zāi)和洪水等自然災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)將增加，這對(duì)環(huán)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(shí)際需要。由于這個(gè)原因，大量的能量被浪費(fèi)了。示例是在夜間插入設(shè)備進(jìn)行充電，在這種情況下，整個(gè)晚上都會(huì)使用電力為設(shè)備充電，即使它在最多幾個(gè)小時(shí)后完全充電。

海洋污染

海洋被微塑料和酸污染。這對(duì)海洋中的魚來(lái)說(shuō)是一個(gè)大問(wèn)題，因?yàn)樗鼈儠?huì)與這些物質(zhì)接觸，導(dǎo)致它們吞咽、進(jìn)食或死于酸。這對(duì)我們海洋中的生物多樣性產(chǎn)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(dǎo)致健康問(wèn)題

空氣污染和海洋污染會(huì)導(dǎo)致我們呼吸和食用有害物質(zhì)。這是一個(gè)大問(wèn)題，尤其是從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看。

糟糕的政府法規(guī)

糟糕的政府法規(guī)可能導(dǎo)致某些行業(yè)對(duì)環(huán)境非常有害。就像服裝行業(yè)一樣，就像我們?cè)谝黄恼轮姓劦降哪菢印?/font>任何化學(xué)品和排放法規(guī)都不會(huì)造成不必要的污染。

奢侈品消費(fèi)產(chǎn)品的二氧化碳排放量

消費(fèi)社會(huì)習(xí)慣于（例如）快速改變時(shí)尚風(fēng)格。手機(jī)是不可修復(fù)的，我們已經(jīng)習(xí)慣了扔掉很多東西是可以的。關(guān)注可修復(fù)性和可再生性可以提高可持續(xù)性。

交通運(yùn)輸產(chǎn)生的二氧化碳排放

如今，交通運(yùn)輸穩(wěn)步成為空氣污染中的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題，這可能導(dǎo)致氣候變化。由于私人交通工具的商品性，大多數(shù)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(shù)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(jīng)常讓水龍頭運(yùn)行或等待淋浴水達(dá)到合適的溫度。所有這些，以及更多，都會(huì)導(dǎo)致低效和不必要的用水。為了解決這個(gè)問(wèn)題，出現(xiàn)了越來(lái)越多的技術(shù)，但是，還有很多工作要做。

砍伐森林

大量森林砍伐是為了創(chuàng)造農(nóng)業(yè)區(qū)/建設(shè)城市，這可能會(huì)導(dǎo)致自然界中更多的氣體排放，而沒(méi)有足夠的來(lái)源來(lái)消耗它們。

抑制家庭綠色行為

大多數(shù)家庭確實(shí)希望更加環(huán)保，但發(fā)現(xiàn)這樣做太困難、太耗時(shí)或太昂貴。與地球工程相比，能夠改變消費(fèi)者的行為將對(duì)環(huán)境產(chǎn)生積極影響。

第 3 章：識(shí)別一般問(wèn)題和挑戰(zhàn)

這些是我們的 5 個(gè)普遍問(wèn)題

家庭能源使用效率低下

每個(gè)人都可以改善他們的能源消耗。我們可能會(huì)提供一系列解決方案來(lái)優(yōu)化這個(gè)問(wèn)題。

水污染

海洋和河流的水污染都會(huì)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)的破壞。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，破壞這些生態(tài)系統(tǒng)會(huì)給人類帶來(lái)問(wèn)題。此外，水污染導(dǎo)致我們的飲用水中充滿了我們最好不要飲用的有害物質(zhì)。為了一個(gè)可持續(xù)的未來(lái)，我們需要可持續(xù)的水。

不考慮氣候變化

改變普通消費(fèi)者的行為將對(duì)清潔環(huán)境危機(jī)的各個(gè)方面產(chǎn)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(guī)范自然友好型解決方案的一大推動(dòng)力。

洪水

隨著衰落的增加，洪水必將成為越來(lái)越令人擔(dān)憂的問(wèn)題，特別是對(duì)于城市化靠近水域的國(guó)家而言。它們已經(jīng)被證明是致命的，并且是必須在短期內(nèi)處理以減少生命損失的威脅。

交通擁堵/基礎(chǔ)設(shè)施差

幾乎每個(gè)城市都會(huì)發(fā)生交通擁堵，而糟糕的基礎(chǔ)設(shè)施使它們變得更糟。交通擁堵導(dǎo)致汽車的活動(dòng)時(shí)間超過(guò)了需要的時(shí)間，同時(shí)大量的氣體排放到大氣中。這種情況在冬天更糟，因?yàn)槠囆枰嗟娜剂蟻?lái)保持車內(nèi)足夠溫暖。

第 4 章：?jiǎn)栴}選擇和動(dòng)機(jī)

選擇的問(wèn)題：水污染。

飲用水變得越來(lái)越稀缺[21]。化學(xué)品和塑料物品被傾倒在河流和海洋中。過(guò)濾水可能會(huì)成為一個(gè)越來(lái)越大的問(wèn)題。生態(tài)系統(tǒng)依賴于河流，如果蜉蝣由于河流污染而無(wú)法生存，鳥類沒(méi)有足夠的食物而死亡。這將在這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中產(chǎn)生多米諾骨牌效應(yīng)，并最終給人類帶來(lái)問(wèn)題[22]。對(duì)河流或其他水體進(jìn)行更多更好的監(jiān)測(cè)可以為我們提供某些問(wèn)題所在的指標(biāo)。這些信息可以傳遞給正確的當(dāng)局，以便快速解決問(wèn)題。

如果水沒(méi)有那么污染，水過(guò)濾中心過(guò)濾水的難度就會(huì)降低。我們的水依賴河流。過(guò)濾越來(lái)越難，如果我們想過(guò)濾漂浮在河流中的劣質(zhì)水，現(xiàn)在我們需要更昂貴的過(guò)濾解決方案。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，水中的毒素對(duì)我們的人口來(lái)說(shuō)可能是一個(gè)主要的健康風(fēng)險(xiǎn)。努力為這個(gè)問(wèn)題尋找可能的解決方案可以改善公共衛(wèi)生。

除此之外，它可能會(huì)促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)和自然，因?yàn)樗鼈兌家蕾嚭恿髯鳛槿剂虾退?/font>當(dāng)大自然蓬勃發(fā)展時(shí)，它將導(dǎo)致更多的二氧化碳被過(guò)濾成氧氣，這有助于對(duì)抗我們大氣中的所有溫室氣體。

除此之外，提高對(duì)水污染問(wèn)題的認(rèn)識(shí)可能會(huì)讓人們意識(shí)到自己的用水和污染。這將提高知識(shí)，并可能使公眾更加注意他們?nèi)绾翁幚硭?/font>

一切都取決于這一物質(zhì)，因此這個(gè)問(wèn)題很重要。

Li An Phao 創(chuàng)立的“可飲用河流”基金會(huì)是一個(gè)倡導(dǎo)河流健康的當(dāng)?shù)亟M織，認(rèn)為河流自然應(yīng)該干凈到可以飲用。我們有機(jī)會(huì)親自與李安交談，她確認(rèn)水污染是更緊迫的問(wèn)題之一，同時(shí)也給了我們一些有趣的見(jiàn)解，例如微塑料、醫(yī)院廢物（藥丸等）和污水化學(xué)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(gè)解決方案是關(guān)于可以掃描和跟蹤船底水中毒素量的船。當(dāng)這些毒素在一個(gè)地方有很多時(shí)，可以追蹤到這些毒素，目標(biāo)是水中的污染區(qū)域。當(dāng)檢測(cè)到這樣的區(qū)域時(shí)，它可以發(fā)送信號(hào)并警告人們?cè)谠撎囟ㄎ恢眠M(jìn)行清潔。因此，它實(shí)際上會(huì)跟蹤水的健康狀況，并警告水中含有大量毒素的污染區(qū)域。

回收的船

有了這個(gè)想法，我們想到了一個(gè)可連接的網(wǎng)，傳感器連接到船的底部。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)將包含傳感器，可以測(cè)量水的質(zhì)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(shí)通知船夫。從理論上講，最好用風(fēng)扇之類的東西通過(guò)船的運(yùn)動(dòng)來(lái)提供動(dòng)力，這樣它就可以消耗清潔能源。

灌溉用水

由于飲用水越來(lái)越稀缺，而水本身也受到越來(lái)越多的污染，因此盡可能多地使用雨水進(jìn)行灌溉是一個(gè)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(duì)環(huán)境來(lái)說(shuō)是極好的。

可展開(kāi)的有毒過(guò)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(guò)濾器。這可能來(lái)自漏油或其他化學(xué)廢物。過(guò)濾器需要傳感器來(lái)觀察和檢測(cè)毒素。根據(jù)它處理的化學(xué)物質(zhì)，它需要不同的過(guò)濾方法。過(guò)濾器會(huì)將毒素從水中排出，并檢查水的健康狀況。此外，過(guò)濾器將確保過(guò)濾后的毒素殘留物不必傾倒在其他地方，但可能會(huì)變成更有用的東西。

監(jiān)控浮標(biāo)

擁有一個(gè)易于部署的多功能監(jiān)測(cè)站將非常適合水研究和安全。例如，將這些浮標(biāo)放置在工業(yè)場(chǎng)地周圍的水域中可以幫助在收集當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的同時(shí)更快地定位威脅自然的泄漏。使這些浮標(biāo)自給自足、堅(jiān)固耐用，最重要的是，防水是可持續(xù)產(chǎn)品的必要條件。

第 6 章：解決方案選擇

監(jiān)控浮標(biāo)

我們確定的最終解決方案是監(jiān)控浮標(biāo)。我們選擇了這個(gè)方案，因?yàn)樗亲瞵F(xiàn)實(shí)可行的。此外，完成產(chǎn)品后更容易測(cè)試。此外，它是最通用的適用設(shè)備；它既可以部署在河流中，也可以部署在海洋中。

浮標(biāo)的能源必須是清潔的，但也要足夠使浮標(biāo)能夠自我維持，因此想法是在物體表面放置太陽(yáng)能電池板，這將為其中的少量電池供電，反過(guò)來(lái)將提供所有傳感器。這是完美的選擇，因?yàn)樘?yáng)能電池板本身是防水的，除了太陽(yáng)之外不需要任何外部能源。

我們相信該設(shè)備將減少水污染，因?yàn)樗鼞?yīng)該使公司更難污染并減少打撈隊(duì)的反應(yīng)時(shí)間。確切的計(jì)劃如圖 1 所示；當(dāng)發(fā)生泄漏時(shí)，浮標(biāo)會(huì)檢測(cè)到它并迅速向地方當(dāng)局發(fā)出警報(bào)，以便控制傷害并相應(yīng)地對(duì)可能的肇事者提出指控。

團(tuán)隊(duì)規(guī)劃

為了最大限度地提高效率，我們認(rèn)為為每個(gè)成員分配一個(gè)特定的角色是徒勞的，因?yàn)樵谶@種情況下，團(tuán)隊(duì)合作優(yōu)于個(gè)人主義。因此，我們將團(tuán)隊(duì)分為兩個(gè)部分：設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和編程團(tuán)隊(duì)。

我們處理它的方式，有兩種主要類型的任務(wù)需要我們注意：

設(shè)計(jì)（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(shè)置）

編程（arduino 代碼、服務(wù)器設(shè)置、數(shù)據(jù)流功能、傳感器校準(zhǔn)、電路、電源）

通過(guò)這個(gè)分工，每個(gè)團(tuán)隊(duì)可以在自己之間處理問(wèn)題，并通過(guò)相互溝通來(lái)解決問(wèn)題。這可以防止一個(gè)人無(wú)休止地陷入一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樵偸怯|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(gè)人情況。

團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人的目的是安排會(huì)議，監(jiān)督兩個(gè)團(tuán)隊(duì)的進(jìn)展，并在需要時(shí)傳達(dá)一個(gè)團(tuán)隊(duì)對(duì)另一個(gè)團(tuán)隊(duì)的要求。僅憑這一點(diǎn)當(dāng)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(gòu)買之類的小任務(wù)都交給了任何有空的人。

第 7 章：方法論

使用的設(shè)備：

Arduino相關(guān)：

NodeMCU V3（二）

電阻器

電線

太陽(yáng)能板

太陽(yáng)能控制器

升壓器

中繼

轉(zhuǎn)變

USB電纜

USB接口模塊

可充電電池

電池端口

互聯(lián)網(wǎng)連接模塊

PH傳感器

濁度傳感器模塊

打印浮標(biāo)

浮標(biāo)的外殼將采用 3D 打印，最好使用有機(jī)材料，這樣外殼的腐爛將對(duì)環(huán)境造成最小的破壞。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，一些材料不可避免地會(huì)腐爛，不管水的純度和其中的野生動(dòng)物應(yīng)該盡可能保持原樣。

BayWatch 旨在部署在主要不受控制的環(huán)境中，例如河流和湖泊，這意味著需要保護(hù)電子設(shè)備免受冬季霜凍或極端風(fēng)暴等環(huán)境危害。主要問(wèn)題是使設(shè)備防水，同時(shí)仍允許其執(zhí)行預(yù)期任務(wù)。

圖 2. BayWatch 的早期草圖

BayWatch 將需要一個(gè)隔間，傳感器可以在其中不受干擾地完成任務(wù)，同時(shí)保護(hù)更精密的電子設(shè)備免受水損壞。如圖 2 所示，我們決定通過(guò)將浮標(biāo)水平分成兩個(gè)腔室來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題：下半部分是空心的，除了讀取傳感器外，允許水進(jìn)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(wú)法進(jìn)入后者。更重要的是，BayWatch 上安裝了一種浮動(dòng)環(huán)，確保敏感的一半保持在水面以上，幾乎消除了發(fā)生水損壞的機(jī)會(huì)并提供了進(jìn)一步的穩(wěn)定性。

數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)將在 NodeJS Web 服務(wù)器上收集，該服務(wù)器能夠通過(guò)特定端口處理數(shù)據(jù)輸入，如下圖 3 所示。

圖 3 早期 Web 服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸

如果我們使用帶 wifi 的 arduino，我們就可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)無(wú)縫傳輸數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)將存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器處理。一旦客戶請(qǐng)求數(shù)據(jù)，就可以通過(guò)從數(shù)據(jù)庫(kù)接收數(shù)據(jù)將其繪制在網(wǎng)站上。由于 BayWatch 的目的之一是檢測(cè)污染，因此浮標(biāo)持續(xù)傳輸數(shù)據(jù)至關(guān)重要。因此，我們的目標(biāo)是通過(guò)每 10 分鐘一次的輪詢來(lái)收集數(shù)據(jù)。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)演示，我們可能會(huì)降低此間隔以展示我們的產(chǎn)品。Web 服務(wù)器處理數(shù)據(jù)，并在通過(guò)發(fā)送電子郵件達(dá)到限制時(shí)發(fā)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(shù)據(jù)使用/分析

我們表示數(shù)據(jù)的方式是通過(guò)本地網(wǎng)站。我們將使用實(shí)時(shí)更新提要繪制結(jié)果（圖 3）。該網(wǎng)站是交互式的，查看者可以在濁度讀數(shù)和 pH 讀數(shù)之間做出決定。通過(guò)這種方式，可以分析 BayWatch 所在水體的即時(shí)狀態(tài)。

在最理想的未來(lái)，我們將擁有我們所有位于不同河流位置的浮標(biāo)的特設(shè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到我們（目前不存在的）公共網(wǎng)站。有了它，我們還可以放入一張地圖，用例如顏色來(lái)指示河流的健康狀況。紅色越深，河流的健康狀況越差，越藍(lán)越好。來(lái)自公眾的隱藏?cái)?shù)據(jù)主要是來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)。即便如此，圖表將很好地描繪來(lái)自傳感器的傳入數(shù)據(jù)。將給出一系列可接受的值，超過(guò)這些值將觸發(fā)警報(bào)并派遣清理團(tuán)隊(duì)。該網(wǎng)站的宣傳可以傳播意識(shí)，讓每個(gè)人都有機(jī)會(huì)了解我們河流的健康狀況，從而為好奇的人提供信息。

驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)

BayWatch 是一種物理靜態(tài)設(shè)備，僅由其傳感器讀取的值驅(qū)動(dòng)。為了充分發(fā)揮數(shù)據(jù)的潛力，我們希望在數(shù)據(jù)值出現(xiàn)故障時(shí)采取行動(dòng)。例如，當(dāng) pH 傳感器測(cè)量的值過(guò)高時(shí)，這意味著某些有毒物質(zhì)已進(jìn)入水中。當(dāng)我們?cè)谝粭l河流中有不同的浮標(biāo)時(shí)，我們可以準(zhǔn)確地確定這種有毒物質(zhì)的來(lái)源并隨后得出結(jié)論。例如，如果碰巧有一家公司靠近那個(gè)地方，可以聯(lián)系這家公司并詢問(wèn)這是否是他們做的。

通過(guò)數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)將用于警報(bào)目的。即便如此，此警報(bào)本身也不會(huì)由浮標(biāo)本身發(fā)送，而是由上傳數(shù)據(jù)的服務(wù)器發(fā)送。

傳感器校準(zhǔn)

因?yàn)槲覀兪褂昧撕芏嗖煌膫鞲衅?，所以我們需要查看它們并討論它們是否需要校?zhǔn)。

pH 傳感器是最重要的工具之一，通常用于水測(cè)量。這種類型的傳感器能??夠測(cè)量水和其他溶液中的堿度和酸度。 [25] 因此，對(duì)于 PH 傳感器，有必要對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)，因?yàn)槿绻贿@樣做，可能會(huì)在此過(guò)程中出現(xiàn)一些測(cè)量誤差。（建議每月校準(zhǔn)傳感器兩次。但也可以在電極已使用很長(zhǎng)時(shí)間或需要非常精確的測(cè)量時(shí)進(jìn)行）。校準(zhǔn)過(guò)程將在下一章中說(shuō)明。

然后是濁度傳感器。濁度傳感器通過(guò)將光束發(fā)送到待測(cè)水中來(lái)工作。然后，該光將被任何懸浮顆粒擴(kuò)散。光檢測(cè)器與光源成 90 度角放置，并檢測(cè)反射回來(lái)的光量。 [26] 對(duì)于這種類型的傳感器，校準(zhǔn)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(zhǔn)。第一個(gè)是專門為 YSI 濁度傳感器準(zhǔn)備和測(cè)試的 AMCO-AEPA 濁度標(biāo)準(zhǔn)。另一種是基于 Formazin 的標(biāo)準(zhǔn)品，可以自行制備、以特定指定值購(gòu)買或以高濃度購(gòu)買并稀釋。 [27]

不幸的是，我們沒(méi)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(qū)分清水和腐水，因此我們用自己的感官來(lái)校準(zhǔn)設(shè)備，即使這不是很準(zhǔn)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(jìn)行比較，并記下讀數(shù)。

第 8 章：結(jié)果驗(yàn)證

克服系統(tǒng)錯(cuò)誤

圖 4. 在茶中使用 pH 計(jì)驗(yàn)證傳感器讀數(shù)

重申一下，BayWatch 包含兩個(gè)用于測(cè)量數(shù)據(jù)的傳感器：一個(gè) pH 傳感器和一個(gè)濁度傳感器。與任何傳感器一樣，尤其是那些按預(yù)算購(gòu)買的傳感器，驗(yàn)證輸入讀數(shù)非常重要，如圖 4 所示。

對(duì)于 pH 傳感器，我們能夠獲得一些 pH 計(jì)，以確保給定的讀數(shù)是準(zhǔn)確的。我們?cè)谒头试淼幕旌衔镏袦y(cè)試了傳感器，然后再次用水和醋進(jìn)行了測(cè)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(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)。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(jì)，我們幾乎可以知道液體的準(zhǔn)確值，這將用于校準(zhǔn)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(zhǔn) pH 計(jì)的數(shù)據(jù)

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

對(duì)于要校準(zhǔn)的傳感器，我們使用這些值來(lái)聲明 2 個(gè)確定值 k 和 Offset。

最終的 pH 值將按如下方式計(jì)算：

這 2 個(gè)值是使用圖 5 中的值通過(guò)以下公式計(jì)算得出的：

因此，對(duì)于我們的代碼，使用了 k = 18.70833333 和 Offset = 42.55916667。

pH值大多是準(zhǔn)確的，但仍有誤差范圍，這也受pH計(jì)誤差范圍的影響很大。

計(jì)算電壓的方法是每次讀數(shù)平均取 40 個(gè)樣本，以確保獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果。

此過(guò)程有助于確保數(shù)據(jù)讀數(shù)中沒(méi)有系統(tǒng)錯(cuò)誤。系統(tǒng)錯(cuò)誤是指讀數(shù)不準(zhǔn)確，這意味著即使是精確的數(shù)據(jù)讀數(shù)也將全部偏離真實(shí)值。

至于濁度傳感器，濁度計(jì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們提供的預(yù)算，所以我們用肉眼進(jìn)行了驗(yàn)證：當(dāng)浮標(biāo)放入的水變得太不清楚時(shí)，這個(gè)傳感器的讀數(shù)就會(huì)改變。雖然這種方法并不完全準(zhǔn)確，但我們別無(wú)選擇，只能在這樣的相對(duì)框架中工作。

此外，濁度傳感器的讀數(shù)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(huì)略微增加最終結(jié)果的不準(zhǔn)確性。

它可能需要更準(zhǔn)確的校準(zhǔn)，但我們?nèi)匀豢梢詤^(qū)分臟水和干凈水，這對(duì)我們的目的很有幫助。

克服隨機(jī)錯(cuò)誤

然而，即使是經(jīng)過(guò)良好校準(zhǔn)的傳感器也不可避免地會(huì)出現(xiàn)讀數(shù)的不確定性，也稱為隨機(jī)誤差。

就數(shù)據(jù)驗(yàn)證而言，存在 3 種主要的數(shù)據(jù)驗(yàn)證方式：傳入數(shù)據(jù)校正、錯(cuò)誤數(shù)據(jù)檢測(cè)和進(jìn)一步校正方法 [23]。考慮到我們每種傳感器只有一個(gè)，消除此類錯(cuò)誤的方法并不多。

可以在本地處理傳入的數(shù)據(jù)并刪除明顯錯(cuò)誤的讀數(shù)。我們決定傳入的數(shù)據(jù)應(yīng)該在微控制器上本地處理，因?yàn)檫@樣可以更快地響應(yīng)刺激；在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用程序中，時(shí)間至關(guān)重要。

arduino 的內(nèi)存容量還允許協(xié)議可以在一定程度上減少讀數(shù)中的隨機(jī)錯(cuò)誤。如前所述，數(shù)據(jù)將每 10 分鐘輪詢一次，此時(shí) arduino 將得出這 10 分鐘內(nèi)讀數(shù)的平均值。這應(yīng)該會(huì)大大減少隨機(jī)錯(cuò)誤。

此外，如果讀數(shù)突然變平并產(chǎn)生連續(xù)的 0 或其他形式的不切實(shí)際數(shù)據(jù)，則很明顯其中一個(gè)傳感器出現(xiàn)故障。除此之外，如果突然沒(méi)有數(shù)據(jù)輸入，則表明電源（即太陽(yáng)能電池板或電池）無(wú)法運(yùn)行或節(jié)點(diǎn)不再連接到互聯(lián)網(wǎng)。這種情況表明浮標(biāo)必須手動(dòng)收集和修復(fù)，因?yàn)楸M管它是自主設(shè)計(jì)的，但 BayWatch 無(wú)法自行修復(fù)。

第 9 章：最終結(jié)果和結(jié)論

最終構(gòu)造和功能評(píng)估

圖 6. 完成的電路

圖 7：草圖電路

盡管各個(gè)方面都運(yùn)行良好，但在組合這些對(duì)象時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)錯(cuò)誤。我們想使用 arduino wifi shield，但它有點(diǎn)舊，而且沒(méi)有很多文檔。我們沒(méi)有得到它來(lái)做發(fā)布請(qǐng)求。所以我們使用了 NodeMCU，不幸的是它只有 1 個(gè)模擬輸入，這不適合我們使用模擬輸入的 2 個(gè)傳感器的情況。我們決定使用二極管和一些巧妙的編程來(lái)構(gòu)建一個(gè)電路，以在讀取 2 個(gè)感官輸入之間進(jìn)行迭代。這適用于 2 個(gè)電位器，但是當(dāng)我們連接濁度和 Ph 傳感器時(shí)，讀數(shù)不準(zhǔn)確。在思考了該怎么做之后，我們決定使用 2 個(gè) NodeMCU 并將數(shù)據(jù)發(fā)送到 2 個(gè)不同的數(shù)據(jù)庫(kù)。這樣做的好處是，如果一個(gè)微控制器發(fā)生故障，另一個(gè)微控制器仍然可以發(fā)送數(shù)據(jù)并且讀數(shù)更準(zhǔn)確。將來(lái)我們可以連接這兩個(gè)并實(shí)施隨附的故障排除應(yīng)用程序。

我們面臨的另一個(gè)問(wèn)題是電源，當(dāng)我們將 microUSB 直接連接到計(jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，它提供了穩(wěn)定的 5 伏電壓，并且 PH 傳感器工作正常。然而，當(dāng)它連接到電池和太陽(yáng)能控制器時(shí)，它只能提供大約 3.1 伏的電壓。在測(cè)量引腳上的電壓時(shí)，我們得出結(jié)論，它太低了，無(wú)法獲得準(zhǔn)確的讀數(shù)。所以我們得到了一個(gè)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(lián)電路時(shí)電壓不會(huì)被分壓，我們可以很容易地連接 2 個(gè)需要小電流的微控制器。然而，下一個(gè)問(wèn)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(cè)量數(shù)據(jù)，這不是

繼電器由微控制器觸發(fā)，如果開(kāi)啟，則從電池向濁度傳感器提供 5 伏電壓。我們?cè)谀M引腳上使用了一個(gè)電阻器，因此來(lái)自濁度傳感器的較高電壓不會(huì)破壞微控制器。我們?cè)诒镜鼐W(wǎng)絡(luò)上對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試，最終電路（視覺(jué)圖 6，功能圖 7）工作正常。一個(gè)小組成員進(jìn)行了最后一些神奇的、極其快速的計(jì)算，以確保 PH 傳感器是準(zhǔn)確的，并且濁度也得到了微調(diào)。

當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，其他一些成員為浮標(biāo)準(zhǔn)備了實(shí)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(huán)。

不幸的是，第一次插入浮標(biāo)時(shí)，pH傳感器壞了，導(dǎo)致虎頭蛇尾的失敗。即便如此，我們也沒(méi)有讓這讓我們灰心，繼續(xù)工作。在編寫本文檔時(shí)，我們只有圖 8，它是一個(gè)功能原型。它能夠讀取水純度值并將其發(fā)送到服務(wù)器以進(jìn)行演示。即便如此，在我們看來(lái)，在提交此文檔后，我們將能夠完成 BayWatch 是毫無(wú)疑問(wèn)的，因此圖 8 旨在作為即將到來(lái)的預(yù)覽。

圖 8：BayWatch，最終狀態(tài)

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的設(shè)置需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。它是由我們的一位程序員在流行的 NodeJS 上構(gòu)建的，使用 Express 來(lái)提供網(wǎng)頁(yè)服務(wù)。提供服務(wù)的網(wǎng)頁(yè)會(huì)自動(dòng)向服務(wù)器發(fā)送 GET 請(qǐng)求，以檢查是否有任何新數(shù)據(jù)添加到數(shù)據(jù)庫(kù)中。該數(shù)據(jù)庫(kù)是一個(gè)簡(jiǎn)單的 NeDB 數(shù)據(jù)庫(kù)，它是 MongoDB 的淡化版本。雖然很古怪，但它符合我們項(xiàng)目的目的，因?yàn)槲覀冎皇谴鎯?chǔ)值。數(shù)據(jù)使用流行的開(kāi)源 ChartJS 顯示。您可以縮放和平移圖表，使數(shù)據(jù)可視化顯示河流的實(shí)時(shí)健康狀況，這對(duì)于提高意識(shí)也很重要。傳入的數(shù)據(jù)通過(guò) http POST 請(qǐng)求協(xié)議（由微控制器）以 JSON 格式發(fā)送并放入數(shù)據(jù)庫(kù)。Web 服務(wù)器將時(shí)間戳添加到接收到的數(shù)據(jù)中。

現(xiàn)實(shí)生活中的可行性

正如已經(jīng)闡明的那樣，水污染仍然很突出，因?yàn)榇驌脐?duì)的延遲反應(yīng)時(shí)間使得它可以匿名進(jìn)行。也正是這種反應(yīng)時(shí)間的延遲使污染變得如此具有腐蝕性，因?yàn)樵谖畚飶暮恿骰蚝Ｑ笾星宄?，可能已?jīng)對(duì)環(huán)境造成了很大的破壞。因此，我們相信 BayWatch 可能確實(shí)是一個(gè)現(xiàn)實(shí)的解決方案，因?yàn)榭焖贆z測(cè)廢物將增加反應(yīng)時(shí)間并使當(dāng)局能夠保護(hù)河流的水純度。

事實(shí)上，我們的浮標(biāo)監(jiān)測(cè)站的變體最近已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)使用。[33] 例如，我們與“可飲用河流”的創(chuàng)始人李安福討論了這個(gè)問(wèn)題，李安福目前也在研究一個(gè)創(chuàng)造性的生物測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)利用蛤蜊對(duì)水體中溶解顆粒的反應(yīng)來(lái)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(shí)證實(shí)了我們的解決方案并非毫無(wú)根據(jù)。

然而，這個(gè)計(jì)劃確實(shí)有相當(dāng)大的限制。例如，在撰寫本文時(shí)，污染法仍不足以阻止大公司停止污染，本質(zhì)上使警務(wù)設(shè)備相當(dāng)過(guò)時(shí)[34]。雖然這筆罰款數(shù)額不小，但通常只是公司妥善處理廢物所需費(fèi)用的一小部分。只要這樣做無(wú)利可圖，這些公司就不會(huì)被阻止改變他們的程序。話雖如此，有證據(jù)表明即將出臺(tái)的法律將對(duì)此類公司施加更多限制，因此這種過(guò)時(shí)可能只是暫時(shí)的。

此外，人們擔(dān)心我們將使用的材料，因?yàn)槭褂?BayWatches 會(huì)適得其反，具有諷刺意味的是，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，只會(huì)通過(guò)分解和升高垃圾堆 [35] 進(jìn)一步損害環(huán)境。這可能很困難，因?yàn)楹Ｑ笫亲钊菀资艿酵蝗粴庀笞兓绊懙纳锶?，并且可能?huì)變得暴力，或者甚至可能來(lái)自經(jīng)過(guò)的游輪不小心將浮標(biāo)一分為二造成破壞。

未來(lái)展望

在目前的狀態(tài)下，BayWatch 是一個(gè)簡(jiǎn)化的原型，并且可以繼續(xù)增強(qiáng)。現(xiàn)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(shù)。浮標(biāo)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(shù)據(jù)供應(yīng)。

到目前為止，BayWatch 是一個(gè)單一的原型，然而，它被設(shè)計(jì)為大型 ad hoc 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。換句話說(shuō)，真正的 BayWatch 將是一個(gè)大型浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)相互通信傳遞快速準(zhǔn)確的讀數(shù)。這將帶來(lái)許多改進(jìn)，例如，將一個(gè)原型設(shè)置為每 10 分鐘輪詢一次發(fā)送數(shù)據(jù)，但如果將多個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置為以不同的時(shí)間間隔進(jìn)行連接，那么就會(huì)有源源不斷的數(shù)據(jù)流。此外，即使設(shè)備停止運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)也可以繼續(xù)運(yùn)行，這對(duì)于單個(gè)原型當(dāng)然是不可能的。

總而言之，這個(gè)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(gè)自組織網(wǎng)絡(luò)，匿名進(jìn)行污染肯定會(huì)使污染更具挑戰(zhàn)性，并且不再允許它在不被注意的情況下進(jìn)行。