Ελευθεριάδου-Τογρουζίδου Σαββίνα, Κατσούλα Γεωργία, Πλλούμπι Ματέο, Τζάκα Φλοριάν, Τομίδης Αβραάμ, Κουτσούδης Οδυσσέας, Τόπκας Αθανάσιος, Χατζημούσης Δήμος, Μεθάσα Μάρκο, Καλαϊτζίδης Μύρων-Αντώνιος
Μαθητές/τριες Πρότυπου ΕΠΑ.Λ Κρύας Βρύσης
email: elefthsa24@sch.gr, katsogeo24@sch.gr, plloumpm24@sch.gr, tzakaflo24@sch.gr, tomidisa24@sch.gr, koutsouo24@sch.gr, topkasat24@sch.gr, chatzdi25@sch.gr, methasam25@sch.gr, kalaimyr25@sch.gr
Λέξεις κλειδιά: Hydrobot, Arduino, Μέτρηση pH.
1. Εισαγωγή
Το πρόγραμμα Hydrobot ξεκίνησε το 2011 από την ομάδα της Διαδραστικής Έκθεσης Επιστήμης & Τεχνολογίας του Ιδρύματος Ευγενίδου. Αποτελεί ένα εκπαιδευτικό εργαλείο που επιτρέπει σε μαθητές γυμνασίου και λυκείου να κατασκευάσουν ένα απλό, τηλεκατευθυνόμενο υποβρύχιο όχημα (ROV – Remotely Operated Vehicle) για την εξερεύνηση του υδάτινου περιβάλλοντος.
Image 1. Υλικά Hydrobot
Η ομάδα ρομποτικής του σχολείου μας προχώρησε στην αναβάθμιση του Hydrobot, προσθέτοντας ένα σύστημα δειγματοληψίας νερού για τη συλλογή δειγμάτων από διαφορετικά βάθη και ένα σύστημα μέτρησης pH για την ανάλυση της ποιότητας του νερού στο εργαστήριο.
Image 2. Αναβάθμιση σε EcoSub
Η πρωτοβουλία αυτή δίνει τη δυνατότητα στους μαθητές να εφαρμόσουν γνώσεις STEM (Επιστήμη, Τεχνολογία, Μηχανική, Μαθηματικά) στην πράξη, αναπτύσσοντας τόσο τεχνικές δεξιότητες όσο και δεξιότητες επίλυσης προβλημάτων. Το έργο έχει ως στόχο όχι μόνο την τεχνική εξέλιξη του Hydrobot αλλά και τη βαθύτερη κατανόηση της λειτουργίας υποβρύχιων συστημάτων και της ποιότητας του νερού ως περιβαλλοντικής παραμέτρου.
Η εκπόνηση της εργασίας πραγματοποιήθηκε μέσα από διαδοχικά στάδια. Αρχικά, πραγματοποιήθηκε εκτενής έρευνα και μελέτη επιστημονικών πηγών για την κατανόηση των αρχών λειτουργίας των υποβρύχιων συστημάτων και των αισθητήρων. Ακολούθησε ο σχεδιασμός και η υλοποίηση του συστήματος δειγματοληψίας και της μέτρησης pH. Για την εξασφάλιση της ακρίβειας, πραγματοποιήθηκαν δοκιμές και βαθμονόμηση των αισθητήρων. Στη συνέχεια, έγινε καταγραφή και ανάλυση των δεδομένων που συλλέχθηκαν από πειράματα σε πραγματικές συνθήκες. Τέλος, η εργασία τεκμηριώθηκε λεπτομερώς και τα αποτελέσματα παρουσιάστηκαν συστηματικά.
Για την υλοποίηση της εργασίας χρησιμοποιήθηκαν τόσο υλικά όσο και λογισμικά εργαλεία. Από το υλικό, χρησιμοποιήθηκαν δύο μονάδες Arduino Uno, ένας αισθητήρας πίεσης νερού με εύρος 0,5~4,5V, ένας αισθητήρας pH, μια ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα 12V και λαστιχένια μπαλόνια μίας χρήσης. Στο λογισμικό, χρησιμοποιήθηκε η πλατφόρμα Arduino IDE για την ανάπτυξη και τον προγραμματισμό και την απεικόνιση των τιμών.
Ο ειδικός στόχος της εργασίας είναι η ανάπτυξη ενός βελτιωμένου Hydrobot που θα μπορεί να συλλέγει δείγματα νερού από προκαθορισμένα βάθη και να μετρά την τιμή του pH, προσφέροντας έτσι ένα ολοκληρωμένο εργαλείο εξερεύνησης του υδάτινου περιβάλλοντος με επιστημονική ακρίβεια.
2. Στόχοι του Έργου
Ο κύριος στόχος του έργου είναι η δημιουργία ενός αυτοματοποιημένου συστήματος συλλογής δειγμάτων νερού από προκαθορισμένα βάθη. Για την ακριβή καταγραφή του βάθους χρησιμοποιείται αισθητήρας πίεσης, ο οποίος επιτρέπει τον αξιόπιστο υπολογισμό της υδροστατικής πίεσης. Παράλληλα, το σύστημα πραγματοποιεί ανάλυση της ποιότητας του νερού μέσω της μέτρησης του pH, παρέχοντας έτσι ολοκληρωμένα δεδομένα για το υδάτινο περιβάλλον. Το έργο στοχεύει επίσης στην ανάπτυξη δεξιοτήτων προγραμματισμού και ηλεκτρονικών εφαρμογών, καθώς και στην καλλιέργεια συνεργατικού πνεύματος και επίλυσης προβλημάτων μέσα από την ομαδική εργασία.
3. Αναβάθμιση του Hydrobot
3.1 Σύστημα Δειγματοληψίας Νερού
Η αναβάθμιση του Hydrobot περιλαμβάνει την προσθήκη ενός συστήματος δειγματοληψίας νερού. Για τη συλλογή των δειγμάτων, χρησιμοποιείται ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα 12V, η οποία τοποθετήθηκε στο υποβρύχιο όχημα και ελέγχεται από ένα επιπλέον κουμπί στο χειριστήριο. Η διαδικασία συλλογής πραγματοποιείται με τη χρήση εύκαμπτων λαστιχένιων μπαλονιών μίας χρήσης, τα οποία επιλέχθηκαν ώστε να μειώνεται το βάρος και να αποφεύγεται η μόλυνση από την επαναχρησιμοποίηση.
3.2 Σύστημα Μέτρησης Βάθους
Για τη μέτρηση του βάθους, το Hydrobot είναι εξοπλισμένο με αισθητήρα πίεσης νερού που λειτουργεί στην περιοχή 0,5~4,5V. Ο αισθητήρας αυτός είναι συνδεδεμένος με ένα Arduino Uno, το οποίο καταγράφει την πίεση σε πραγματικό χρόνο. Ο υπολογισμός του βάθους βασίζεται στην υδροστατική εξίσωση, σύμφωνα με την οποία κάθε μέτρο βάθους αντιστοιχεί σε αύξηση πίεσης περίπου 9800 Pascal (Pa).
Image 3. Σύνδεση Αισθητήρας Σύνδεσης Νερού
3.3 Διαδικασία Βαθμονόμησης Αισθητήρα Πίεσης
Η βαθμονόμηση του αισθητήρα πίεσης είναι απαραίτητη για την ακριβή μέτρηση του βάθους. Η διαδικασία ξεκινά με τη σύνδεση του αισθητήρα στο Arduino και την εκτέλεση προγράμματος για την καταγραφή της τάσης χωρίς βύθιση. Στη συνέχεια, πραγματοποιούνται μετρήσεις σε γνωστά βάθη για την επαλήθευση της ακρίβειας του αισθητήρα.
4. Μέτρηση pH στο Εργαστήριο
Για την ανάλυση της οξύτητας ή της αλκαλικότητας του νερού, το EcoSub διαθέτει αισθητήρα pH, ο οποίος είναι συνδεδεμένος με ένα δεύτερο Arduino. Η βαθμονόμηση του αισθητήρα πραγματοποιείται με τη μέθοδο δύο σημείων, χρησιμοποιώντας ρυθμιστικά διαλύματα pH 7.0 και pH 4.0, προκειμένου να διασφαλιστεί η ακρίβεια των μετρήσεων. Τα δεδομένα που συλλέγονται από τον αισθητήρα προβάλλονται σε πραγματικό χρόνο στην οθόνη του υπολογιστή, επιτρέποντας τη συνεχή παρακολούθηση των τιμών pH.
Image 4. Μέτρηση PH με Arduino
5. Μεθοδολογία και Λειτουργία
Η λειτουργία του Hydrobot ακολουθεί μια προκαθορισμένη μεθοδολογία. Αρχικά, το υποβρύχιο βυθίζεται σε προκαθορισμένο βάθος, το οποίο προσδιορίζεται με βάση τις ενδείξεις του αισθητήρα πίεσης. Στη συνέχεια, η ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα ενεργοποιείται για τη συλλογή του δείγματος νερού. Το υποβρύχιο επιστρέφει στην επιφάνεια, όπου το δείγμα αναλύεται στο εργαστήριο για τον προσδιορισμό του pH.
6. Συμπεράσματα
Η αναβάθμιση του Hydrobot με το σύστημα δειγματοληψίας νερού και τη μέτρηση pH ενισχύει τις δυνατότητες εξερεύνησης και ανάλυσης του υδάτινου περιβάλλοντος. Μέσα από το έργο, οι μαθητές εξοικειώνονται με θεμελιώδεις έννοιες όπως η αισθητήρια τεχνολογία, η υδροστατική πίεση και η βαθμονόμηση. Το έργο προάγει τη διεπιστημονική μάθηση, συνδυάζοντας γνώσεις από την πληροφορική, τη φυσική και τη χημεία. Επιπλέον, η ανάπτυξη πρακτικών δεξιοτήτων στον προγραμματισμό και στη χρήση αισθητήρων αποτελεί σημαντικό εκπαιδευτικό όφελος, ενισχύοντας τη μαθησιακή εμπειρία και την επίλυση πραγματικών προβλημάτων.
Ευχαριστίες
Ευχαριστούμε το Ίδρυμα Ευγενίδου για την παροχή του αρχικού εξοπλισμού και την υποστήριξη του προγράμματος Hydrobot.
Βιβλιογραφία
Arduino (2023). «Arduino Uno Documentation». Διαθέσιμο: https://www.arduino.cc.
Ευγενίδειο Ίδρυμα (2011). «Hydrobot: Εκπαιδευτικό Υλικό».
Στάμου, Ι. (2018). «Υδροστατική Πίεση και Εφαρμογές». Αθήνα: Εκδόσεις Τεχνολογία.
http://hydrobots.gr/index/?page_id=88
http://ebooks.edu.gr/ebooks/v/html/8547/2204/Fysiki_B-Gymnasiou_html-empl/index4_2.html
DFRobot. Gravity: Water Pressure Sensor Wiki. https://wiki.dfrobot.com/Gravity__Water_Pressure_Sensor_SKU__SEN0257
DFRobot. Gravity: Analog pH Sensor Meter Kit V2 Wiki. https://wiki.dfrobot.com/Gravity__Analog_pH_Sensor_Meter_Kit_V2_SKU_SEN0161-V2
DFRobot Product Page. https://www.dfrobot.com/product-1782.html?srsltid=AfmBOopHuU8B2ExjxgcfOtVgcLaJnvf1_ZP8BBoZhED7vSxGQThJOMTX
