Пристрій вимірювання гідрохімічних показників води

Драгомирецький, Єгор Євгенійович

Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/10063

Title:	Пристрій вимірювання гідрохімічних показників води
Authors:	Уткіна, Тетяна Юріївна Драгомирецький, Єгор Євгенійович
Keywords:	ідрохімічні показники води, моніторинг якості води, ESP32, мікроконтролер, датчик pH, електропровідність, загальна мінералізація, TDS, каламутність, температура води, цифрова фільтрація, термокомпенсація, Інтернет речей, хмарний сервіс, дистанційний моніторинг
Issue Date:	Jun-2026
Abstract:	У кваліфікаційній роботі розроблено пристрій вимірювання гідрохімічних показників води на базі мікроконтролерної платформи ESP32. Проведено аналіз основних показників якості води, фізико-хімічних методів їх вимірювання та наявних технічних рішень. Обґрунтовано вибір апаратних компонентів, зокрема датчиків водневого показника pH, електропровідності та загальної мінералізації (TDS), каламутності й температури води. Розроблено структурну та електричну принципову моделі пристрою, алгоритм роботи мікроконтролера й програмне забезпечення для збору даних, цифрової фільтрації шумів і термокомпенсації результатів вимірювань. Реалізовано інтеграцію пристрою з хмарним сервісом для передавання даних і організації віддаленого моніторингу, а також розроблено інтерфейс користувача для відображення виміряних параметрів. Практичне значення роботи полягає у можливості застосування розробленого пристрою для оперативного контролю якості води в комунальних господарствах, лабораторіях екологічного моніторингу та освітніх установах.
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/10063
Appears in Collections:	123 Комп’ютерна інженерія (Спеціалізовані комп’ютерні системи)

Files in This Item:

File	Description	Size	Format
Б_123_2026_Драгомирецький.pdf Restricted Access		2.5 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy

Show full item record

Extracted text

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ І СИСТЕМ
КАФЕДРА РОБОТОТЕХНІКИ ТА СПЕЦІАЛІЗОВАНИХ
КОМП’ЮТЕРНИХ СИСТЕМ
ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА
до кваліфікаційної роботи
освітнього ступеня «бакалавр»
на тему: Пристрій вимірювання
гідрохімічних показників води

Виконав здобувач вищої освіти 4 курсу
групи СКС-2207
спеціальності 123 Комп’ютерна
інженерія
Єгор ДРАГОМИРЕЦЬКИЙ
(ім’я та ПРІЗВИЩЕ)
Керівник Тетяна УТКІНА
(ім’я та ПРІЗВИЩЕ)
Рецензент
(ім’я та ПРІЗВИЩЕ)

Захист дозволяю:
зав. кафедри, д.т.н., професор Валентина ЛУКАШЕНКО
(підпис) (ім’я та ПРІЗВИЩЕ)

Черкаси 2026
ЗМІСТ
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ ................................................. 4
1 АНАЛІЗ ПРЕДМЕТНОЇ ОБЛАСТІ ТА ІНСТРУМЕНТАЛЬНИХ
МЕТОДІВ ЕКОЛОГІЧНОГО МОНІТОРИНГУ ЯКОСТІ ВОДИ ............... 9
1.1 Основні гідрохімічні показники якості води та нормативні
вимоги до них .......................................................................................................... 9
1.2 Фізико-хімічні методи вимірювання та принципи роботи мобільних
систем екологічного моніторингу якості води ................................................... 12
1.2.1 Потенціометричний метод вимірювання pH ................................. 13
1.2.2 Кондуктометричний метод вимірювання мінералізації ............... 14
1.2.3 Нефелометричний метод вимірювання каламутності .................. 14
1.2.4 Метод цифрової термометрії ........................................................... 15
1.3 Особливості побудови та функціонування мобільних систем
екологічного моніторингу якості води ............................................................... 16
2 ОГЛЯД ІСНУЮЧИХ РІШЕНЬ ТА ФОРМУВАННЯ ТЕХНІЧНИХ
ВИМОГ ДО РОЗРОБЛЮВАНОГО ПРИСТРОЮ ........................................ 18
2.1 Аналіз існуючих засобів вимірювання гідрохімічних показників
води на ринку ......................................................................................................... 18
2.2 Порівняльна характеристика засобів вимірювання гідрохімічних
показників води ..................................................................................................... 26
2.3 Формування технічних вимог до розроблюваного пристрою ............ 28
3 ПРОЄКТУВАННЯ ПРИСТРОЮ ВИМІРЮВАННЯ ГІДРОХІМІЧНИХ
ПОКАЗНИКІВ ВОДИ ......................................................................................... 31
3.1 Вибір та обґрунтування мікроконтролерної платформи .................... 31
3.2 Вибір та обґрунтування датчиків моніторингу гідрохімічних
показників якості води .......................................................................................... 36
3.3 Вибір та обґрунтування засобів локальної індикації .......................... 47
3.4 Вибір та обґрунтування системи автономного живлення .................. 51

2
3.5 Специфікація та апаратна архітектура пристрою вимірювання
гідрохімічних показників води ............................................................................ 55
3.6 Розробка структурної моделі пристрою вимірювання гідрохімічних
показників води ..................................................................................................... 58
3.7 Розробка електрично принципової моделі пристрою вимірювання
гідрохімічних показників води ............................................................................ 60
3.8 Конструктивне виконання пристрою вимірювання гідрохімічних
показників води ..................................................................................................... 62
4 РОЗРОБКА ПРОГРАМНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ПРИСТРОЮ
ВИМІРЮВАННЯ ГІДРОХІМІЧНИХ ПОКАЗНИКІВ ВОДИ ТА ХМАРНА
ІНТЕГРАЦІЯ ........................................................................................................ 66
4.1 Розробка алгоритму роботи та програми управління для
мікроконтролера пристрою вимірювання гідрохімічних показників води ..... 66
4.2 Інтеграція з хмарним сервісом та налаштування віддаленого
моніторингу ........................................................................................................... 72
4.3 Розробка інтерфейсу користувача пристрою вимірювання
гідрохімічних показників води ............................................................................ 75
ВИСНОВКИ ....................................................................................................... 79
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ ....................................................... 83

3
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Забезпечення населення, промисловості та аграрного сектору якісними
водними ресурсами є однією з найважливіших глобальних проблем
сучасності. Вода виступає критично важливим компонентом для підтримки
життєдіяльності екосистем та збереження здоров’я людини. Проте
інтенсивний розвиток промисловості, урбанізація та глобальні кліматичні
зміни призводять до постійного зростання антропогенного навантаження на
гідросферу. Відхилення ключових фізико-хімічних показників води від
санітарних і екологічних норм здатне викликати незворотні наслідки, що
робить завдання безперервного контролю її стану стратегічно пріоритетним.
У цьому контексті вирішальну роль відіграють сучасні інформаційні
технології. Стрімкий розвиток мікропроцесорної техніки та концепції
Інтернету речей (IoT) відкриває принципово нові можливості для
автоматизації процесів збору екологічних даних. Перехід від локальних
вимірювальних пристроїв до систем дистанційного моніторингу дозволяє не
лише фіксувати поточний стан водного середовища, але й оперативно
реагувати на критичні зміни завдяки хмарній обробці інформації.
Сучасний етап розвитку інформаційних технологій та концепції
Інтернету речей (IoT) відкриває принципово нові можливості для
автоматизації екологічного моніторингу, які раніше були недоступні для
широкого кола споживачів через високу вартість промислового обладнання.
Особливої актуальності питання автоматизації екологічного
моніторингу набувають в контексті контролю якості водних ресурсів, оскільки
антропогенний вплив на навколишнє середовище щороку зростає. Традиційні
методи хімічного аналізу води, що проводяться в лабораторних умовах, хоч і
мають високу точність, проте характеризуються значною дискретністю у часі,
капіталомісткістю та неможливістю оперативного реагування на аварійні
викиди забруднюючих речовин.

4
Впровадження інтелектуальних мікроконтролерних систем на базі
архітектури ESP32 дозволяє перенести аналітичні функції безпосередньо до
точок водозабору (концепція Edge Computing). Це забезпечує безперервний
моніторинг гідрохімічних показників у режимі реального часу з мінімальними
фінансовими витратами. Водночас проєктування таких пристроїв стикається
із проблемою забезпечення стабільності роботи аналогових сенсорів у
складних завадозахищених умовах, викликаних роботою бездротових модулів
зв’язку та нестабільністю автономних джерел живлення. Тому розробка
спеціалізованого програмно-апаратного забезпечення, що поєднує в собі
низьку собівартість, мобільність та високу точність вимірювань за рахунок
алгоритмічної фільтрації, є своєчасним та важливим науково-технічним
завданням в галузі комп’ютерної інженерії.
Актуальність. Стрімке погіршення стану природних водних ресурсів
під впливом техногенних факторів вимагає впровадження мобільних та
високоефективних засобів оперативного контролю. Традиційні лабораторні
методи аналізу, незважаючи на їх метрологічну надійність, характеризуються
значною часовою затримкою між відбором проби та отриманням результату,
що робить їх непридатними для швидкого реагування на аварійні ситуації. У
сучасній комп’ютерній інженерії спостерігається тенденція до створення
інтелектуальних сенсорних мереж та портативних обчислювальних пристроїв,
які дозволяють проводити багатопараметричний аналіз «на місці». Проте
існуючі комерційні рішення часто є закритими системами з високою вартістю,
що обмежує їх доступність для екологічного моніторингу в межах малих
підприємств чи фермерських господарств. Таким чином, розробка
спеціалізованої комп’ютерної системи на базі доступних мікроконтролерів для
вимірювання гідрохімічних показників води є важливою науково-технічною
задачею.
Вагомий внесок у дослідження методів моніторингу водних ресурсів та
розробку відповідних інформаційно-вимірювальних систем зробили такі
вітчизняні та зарубіжні вчені, як В. К. Хільчевський (дослідження
5
гідрохімічного режиму), С. О. Афанасьєв (методи біоіндикації та екологічного
моніторингу), а також закордонні дослідники в галузі IoT та сенсорики,
зокрема Р. Садік (R. Sadiq), М. Х. Банна (M. H. Banna) та ін., чиї роботи
присвячені впровадженню інтелектуальних систем контролю якості води.
Метою кваліфікаційної роботи бакалавра є розробка пристрою
вимірювання гідрохімічних показників води, що забезпечує автономність,
мобільність вимірювання ключових гідрохімічних показників води,
можливість цифрової обробки результатів та передачу даних через бездротові
інтерфейси.
Для досягнення поставленої мети кваліфікаційної роботи бакалавра
необхідно виконати наступні завдання:
− проаналізувати основні гідрохімічні показники якості води та методи
для їх інструментального вимірювання;
− провести огляд існуючих засобів вимірювання гідрохімічних
показників води на ринку;
− розробити структурну та електрично принципову моделі пристрою
вимірювання гідрохімічних показників води;
− обґрунтувати та обрати компоненти пристрою вимірювання
гідрохімічних показників води;
− розробити програмне забезпечення для збору даних, фільтрації
шумів та програмної реалізації термокомпенсації вимірювань;
− розробити алгоритм роботи мікроконтролера пристрою вимірювання
гідрохімічних показників води та виконати його інтеграцію з хмарним
середовищем.
Об’єкт дослідження – процеси автоматизованого вимірювання
гідрохімічних показників води.
Предмет дослідження – пристрій вимірювання гідрохімічних
показників води.
Методи дослідження. Для розв’язання поставлених завдань
використано принципи системного аналізу – при дослідженні предметної
6
області; теорію проєктування цифрових систем на базі мікроконтролерів – при
розробці апаратної частини; чисельні методи та алгоритми цифрової обробки
сигналів – при розробці програмного забезпечення; методи 3D-моделювання –
при проєктуванні конструктивних елементів пристрою.
Наукова новизна одержаних результатів:
− систематизована інформація про основні гідрохімічні показники
якості води та методи для їх інструментального вимірювання, визначено
перспективи, переваги і недоліки застосування таких методів;
− систематизована інформація про існуючі засоби вимірювання
гідрохімічних показників води на ринку та їх компоненти, приведені якісні
характеристики існуючих аналогів предмету дослідження;
− розроблено структурну та електрично принципову моделі пристрою
вимірювання гідрохімічних показників води, розкрито необхідні компоненти
та їх взаємодію.
Практичне значення одержаних результатів полягає в наступних
аспектах:
− обґрунтовано та обрано компоненти пристрою вимірювання
гідрохімічних показників води, який за функціональними можливостями
наближається до професійних аналізаторів, але при цьому має значно нижчу
собівартість;
− розроблено програмне забезпечення для збору даних, фільтрації
шумів та програмної реалізації термокомпенсації вимірювань;
− розроблено алгоритм роботи мікроконтролера пристрою
вимірювання гідрохімічних показників води та виконано його інтеграцію з
хмарним середовищем.
Одержані результати можуть бути впроваджені в діяльність
комунальних господарств, лабораторій контролю якості води та освітніх
установ тощо.

7
Структура та обсяг роботи. Кваліфікаційна робота бакалавра
складається з загальної характеристики роботи, 4 розділів, висновків та списку
використаних джерел. Робота викладена на 85 сторінках. Ілюстрована
39 рисунками. Таблиць 10. Список використаних джерел складається з
32 найменувань.
8
1 АНАЛІЗ ПРЕДМЕТНОЇ ОБЛАСТІ ТА ІНСТРУМЕНТАЛЬНИХ
МЕТОДІВ ЕКОЛОГІЧНОГО МОНІТОРИНГУ ЯКОСТІ ВОДИ
1.1 Основні гідрохімічні показники якості води та нормативні
вимоги до них
Ефективність функціонування систем водопостачання, стан природних
екосистем та безпека технологічних процесів безпосередньо залежать від
хімічного складу та фізичних властивостей водного середовища [1].
Гідрохімічні показники – це кількісні та якісні характеристики, що
відображають вміст у воді різних речовин та її фізичний стан [2, 3]. Для
розробки спеціалізованої комп’ютерної системи моніторингу було обрано
найбільш репрезентативну групу параметрів, які дозволяють оперативно
оцінити якість води в польових умовах. До таких показників належать:
водневий показник (pH), питома електропровідність, загальна мінералізація,
каламутність та температура.
Водневий показник (pH) є одним із ключових параметрів, що
характеризує кислотно-основні властивості води. З хімічної точки зору, він
визначає активність іонів водню (H+) [4]. Математично цей показник
визначається як від’ємний десятковий логарифм концентрації іонів водню, що
відображено у наступній залежності (формула 1.1)
���� = − lg[��+] , (1.1)
Значення pH впливає на більшість хімічних та біологічних процесів.
Наприклад, при відхиленні показника від нейтрального значення змінюється
розчинність важких металів та токсичність домішок. Для систем автоматизації
вимірювання pH є складним завданням через високий внутрішній опір скляних
електродів, що потребує використання прецизійної електроніки. Типова схема
електродної системи, що використовується в сучасних цифрових аналізаторах,
представлена нижче (рис. 1.1).
9

Рис. 1.1. Будова комбінованого електрода для вимірювання pH
Температурний режим води є не лише самостійним екологічним
фактором, але й базовою величиною для корекції показників інших датчиків.
Більшість фізико-хімічних реакцій залежать від температури, тому її контроль
є критичним для отримання достовірних даних [3]. Окрім впливу на
життєдіяльність мікроорганізмів, температура визначає похибку вимірювання
pH та електропровідності. У комп’ютерних системах моніторингу зазвичай
застосовуються цифрові термометри на базі напівпровідникових
елементів (рис. 1.2), які дозволяють зчитувати дані безпосередньо через
цифрові інтерфейси, мінімізуючи вплив аналогових завад.
Електропровідність та мінералізація (Total Dissolved Solids, TDS)
дозволяють оцінити сумарну концентрацію розчинених у воді солей [2].
Питома електрична провідність (Electrical Conductivity, EC) характеризує
здатність розчину проводити струм, що прямо пропорційно кількості вільних
іонів. Показник загальної кількості розчинених твердих речовин TDS є
похідним від електропровідності.
10

Рис. 1.2. Конструкція водонепроникного цифрового датчика температури
Розрахунок мінералізації в мікроконтролерних системах зазвичай
виконується шляхом множення значення EC на емпіричний
коефіцієнт (формула 1.2):
������ = ���� × ���� , (1.2)
де ���� – коефіцієнт конвертації, який для більшості природних вод коливається
в межах від 0,55 до 0,7.
Контроль цих параметрів є обов’язковим для питної води, оскільки
надмірна мінералізація погіршує смакові якості та може призводити до
відкладення солей у технічному обладнанні. Каламутність води визначається
вмістом зважених часток (піску, глини, органічних сполук), які
перешкоджають проходженню світла. Вимірювання цього параметра в
портативних системах базується на нефелометричному методі – реєстрації
інтенсивності світла, розсіяного під певним кутом до падаючого променя. Цей
фізичний принцип (ефект Тіндаля) дозволяє розробляти безконтактні датчики,
які не забруднюються продуктами реакції.
Вимірювання каламутності є надзвичайно важливим для оцінки
ефективності роботи фільтрувальних установок. Для забезпечення високої
якості води в Україні діють суворі нормативні вимоги, які встановлюють
гранично допустимі концентрації (ГДК) для кожного з вищеописаних
11
параметрів [5, 6]. Основні вимоги до питної води, що використовуються в
даній роботі як цільові показники точності системи [6, 7], наведено в табл. 1.1.
Таблиця 1.1
Нормативні показники якості води згідно з ДСТУ 7525:2014 та ВООЗ
Норма згідно з
Одиниця Норма згідно з
Показник ДСТУ
вимірювання вимогами ВООЗ
7525:2014
Водневий показник
од. pH 6,5 – 8,5 6,5 – 8,5
(pH)
Загальна ≤ 1000 (до ≤ 1000 (бажано <
мг/дм³
мінералізація (TDS) 1500*) 600)
≤ 1,0 (до 0,5 для
Каламутність NTU (ЕМЕ) < 5,0 (бажано < 1,0)
мереж)
< 25
Температура °C 10 – 25
(рекомендовано)
Електропровідність ≤ 2500 (при не
мкСм/см
(EC) 20°C) регламентується**

** Допускається до 1500 мг/дм³ за погодженням з органами санітарного
нагляду для окремих регіонів.
ВООЗ не встановлює жорсткого ліміту для EC, оскільки показник прямо
корелює з TDS.
Аналіз наведених нормативів (табл. 1.1) свідчить про необхідність
високої роздільної здатності вимірювальної системи, особливо в діапазоні
значень pH та каламутності, де навіть незначні відхилення сигналізують про
порушення екологічних норм.
Таким чином, проведений аналіз предметної області дозволив чітко
визначити перелік вимірювальних каналів та сформувати вимоги до апаратної
частини майбутнього пристрою.
1.2 Фізико-хімічні методи вимірювання та принципи роботи
мобільних систем екологічного моніторингу якості води
Для побудови ефективної мобільної системи екологічного моніторингу
якості води необхідно визначити оптимальні методи перетворення фізико-
хімічних параметрів об’єкта дослідження у цифрові дані. Вибір методу
12
вимірювання безпосередньо впливає на складність апаратної частини
пристрою, алгоритми обробки сигналів та кінцеву похибку системи.
1.2.1 Потенціометричний метод вимірювання pH
В основі визначення водневого показника лежить вимірювання
електрорушійної сили (ЕРС) гальванічного елемента, що складається з
вимірювального електрода та електрода порівняння. При зануренні скляного
електрода у розчин на його мембрані виникає потенціал, величина якого
лінійно залежить від активності іонів водню. Ця залежність описується
рівнянням Нернста (формула 1.3):
2.303����
�� = ��0 + × ����, (1.3)
��
де ��0 – стандартний потенціал електрода, �� – універсальна газова стала,
T – абсолютна температура, F – стала Фарадея [4].
Головною технічною особливістю цього методу є необхідність
вимірювання напруги з точністю до мілівольта при надвисокому
внутрішньому опорі датчика (до 1012 Ом). Це вимагає використання вхідних
каскадів на базі операційних підсилювачів з польовими
транзисторами (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Схема підключення pH-електрода
до прецизійного підсилювача сигналів
13
1.2.2 Кондуктометричний метод вимірювання мінералізації
Визначення електропровідності (EC) базується на вимірюванні
електричного опору розчину між двома електродами [2, 3]. Оскільки вода з
розчиненими солями є електролітом, проходження постійного струму
викликає електроліз та поляризацію електродів, що спотворює результати. Для
усунення цього ефекту в сучасних мікроконтролерних системах
використовується змінний струм високої частоти (від 1 до 10 кГц).
Принципова схема вимірювальної комірки збудження наведена
нижче (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Еквівалентна схема кондуктометричної комірки та
графік сигналу збудження
Отримане значення провідності є оберненим до опору, а для
обчислення TDS використовується програмна апроксимація, яка враховує
геометричні параметри датчика (константу комірки).
1.2.3 Нефелометричний метод вимірювання каламутності
Для оцінки вмісту зважених часток найбільш ефективним є метод
розсіювання світлового потоку [3]. У портативних пристроях джерело
світла (ІЧ-світлодіод) та приймач (фототранзистор) розташовуються під кутом
90° один до одного.
14
Коли промінь проходить через чисту воду, він не потрапляє на приймач.
При наявності часток світло розсіюється, і частина енергії фіксується
фотодатчиком. Залежність інтенсивності розсіяного світла від концентрації
часток (ефект Тіндаля) представлена графічно (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Оптична схема нефелометричного датчика та
графік залежності вихідної напруги від рівня NTU
1.2.4 Метод цифрової термометрії
Для вимірювання температури найбільш доцільним для мобільної
системи є використання напівпровідникових датчиків з цифровим виходом.
На відміну від класичних терморезисторів, такі датчики як DS18B20
мають вбудований АЦП та передають дані за протоколом 1-Wire. Це дозволяє
уникнути похибок, пов’язаних із падінням напруги на сполучних дротах, що
особливо важливо при проведенні замірів у глибоких водоймах.
Структурна організація обміну даними між мікроконтролером та
термодатчиком показана на рис. 1.6.
Таким чином, комбінація електрохімічних, оптичних та цифрових
методів вимірювання дозволяє створити комплексну систему моніторингу.
Проведений аналіз фізичних принципів роботи датчиків закладає основу для
подальшого проєктування апаратної архітектури пристрою та розробки
алгоритмів програмної фільтрації сигналів.
15

Рис. 1.6. Схема підключення цифрового термодатчика
до шини даних мікроконтролера
1.3 Особливості побудови та функціонування мобільних систем
екологічного моніторингу якості води
Проєктування мобільних систем екологічного моніторингу якості води
для аналізу водного середовища вимагає врахування низки специфічних
факторів, які не є критичними для стаціонарного лабораторного
обладнання [8]. Основними чинниками, що впливають на архітектуру та
надійність таких систем, є складні умови експлуатації, обмеженість
енергоресурсів та необхідність забезпечення високої точності вимірювань у
присутності зовнішніх завад.
Однією з головних проблем є забезпечення стабільності роботи сенсорів
при безпосередньому контакті з агресивним середовищем. Датчики pH та
електропровідності піддаються впливу хімічних сполук, що призводить до
поступової деградації електродів та зміни їх характеристик (так званого
«дрейфу нуля»). У портативних системах це вимагає розробки спеціальних
алгоритмів програмного калібрування, які б дозволяли користувачеві
оперативно коригувати показники за еталонними розчинами без втручання в
апаратну частину [9].
Важливим аспектом є електромагнітна сумісність та захист від наводок.
Оскільки вимірювальні ланцюги (особливо для pH) працюють з надмалими
16
струмами, будь-які електромагнітні завади від роботи вбудованих модулів
бездротового зв’язку (Wi-Fi або Bluetooth) або імпульсних перетворювачів
напруги можуть створювати значні спотворення. Це змушує інженера
приділяти особливу увагу розведенню друкованої плати, використанню
екранування аналогових вузлів та впровадженню методів цифрової фільтрації
сигналів, таких як ковзне середнє або медіанний фільтр.
Енергоефективність системи є критичним параметром для забезпечення
автономності. Використання мікроконтролерів з підтримкою режимів
глибокого сну (Deep Sleep) та оптимізація споживання периферійних модулів
дозволяють суттєво подовжити час роботи від одного заряду акумулятора.
Проте виникає компроміс між частотою опитування датчиків та
енергоспоживанням. У мобільних системах екологічного моніторингу якості
води доцільно реалізовувати адаптивні алгоритми, де частота вимірювань
збільшується лише при виявленні різких змін показників.
Конструктивні вимоги до таких пристроїв передбачають захист корпусу
від вологи та пилу (не нижче стандарту IP65). Оскільки пристрій призначений
для використання «у полі», він повинен бути стійким до механічних
пошкоджень та зручним для утримання однією рукою. Застосування сучасних
технологій швидкого прототипування дозволяє створювати ергономічні
корпуси, проте потребує врахування герметизації місць виходу електродів та
органів управління.
Таким чином, аналіз особливостей функціонування мобільних систем
екологічного моніторингу якості води показує, що для створення якісного
пристрою недостатньо лише зняти дані з датчиків. Необхідно вирішити
комплекс інженерних задач: від прецизійного підсилення слабких сигналів до
реалізації надійних протоколів бездротової передачі даних та захисту системи
від впливу навколишнього середовища.
Вирішення цих завдань і стане основою для подальших етапів
проєктування апаратної та програмної частин пристрою.
17
2 ОГЛЯД ІСНУЮЧИХ РІШЕНЬ ТА ФОРМУВАННЯ ТЕХНІЧНИХ
ВИМОГ ДО РОЗРОБЛЮВАНОГО ПРИСТРОЮ
2.1 Аналіз існуючих засобів вимірювання гідрохімічних показників
води на ринку
Розробка нової спеціалізованої апаратної платформи вимагає ретельного
аналізу існуючих на ринку комерційних рішень. Це необхідно для розуміння
сучасних тенденцій у проєктуванні вимірювальної апаратури, виявлення
інженерних недоліків аналогів та обґрунтування технічної новизни власного
проєкту. Сучасний ринок засобів гідрохімічного моніторингу можна чітко
розділити на три сегменти: промислові багатопараметричні системи,
портативні лабораторні аналізатори та бюджетні побутові тестери [3].
Розглянемо представників кожного сегмента з точки зору їхньої апаратної
реалізації.
1. Багатопараметрична система серії WQC-40 (NKK, Японія).
Аналізатори серії WQC (рис. 2.1) вважаються індустріальним стандартом у
сфері професійного гідрохімічного моніторингу. Основною конструктивною
особливістю пристрою є його модульність на рівні підключення сенсорів до
одного занурювального зонда діаметром усього 45 мм. Апаратна архітектура
системи базується на принципі віддаленого збору даних: зонд містить блок
первинної підготовки сигналу, що дозволяє передавати дані по кабелю
довжиною до 100 метрів без втрати точності.
Розширені техніко-економічні та експлуатаційні характеристики:
− вимірювальні можливості: пристрій забезпечує одночасну
реєстрацію до 11 показників, серед яких критично важливими є розчинений
кисень (метод полярографічного електроду), каламутність (оптичний метод
90°), глибина занурення (датчик тиску) та хлориди. Це робить пристрій
універсальним комбайном, але водночас надзвичайно складним у
налаштуванні;
18
− конструкція зонда: корпус зонда виготовлений із нержавіючої сталі
марки SUS316 або титанового сплаву (у версіях для солоної води). Внутрішній
простір зонда заповнений спеціальним компаундом для захисту електроніки
від конденсату, що виникає при різких перепадах температур під час
занурення на велику глибину;
− інтерфейс користувача: базовий блок оснащений монохромним
графічним РК-дисплеєм з підсвічуванням. Керування здійснюється через
мембранну клавіатуру, що дозволяє працювати з пристроєм у вологих
рукавичках, проте інтерфейс меню є ієрархічно складним та вимагає тривалого
навчання персоналу.

Рис. 2.1. WQC-40 багатопараметричний вимірювальний пристрій
Аналіз переваг та недоліків на основі відгуків профільних фахівців. На
основі аналізу досвіду експлуатації даної системи у водоканалах та
екологічних інспекціях, можна виділити наступні ключові аспекти:
− висока надійність у екстремальних умовах: користувачі відзначають,
що пристрій демонструє стабільні результати навіть при роботі у сильно
забруднених стічних водах завдяки міцній конструкції та вбудованій системі
самодіагностики модулів;
− складність та вартість обслуговування: це найпоширеніша скарга
експлуатаційних служб. Оскільки сенсори інтегровані в єдиний блок, вихід з
ладу одного модуля (наприклад, пересихання мембрани датчика розчиненого
19
кисню) часто вимагає відправки всього зонда до сервісного центру виробника,
що зупиняє моніторинг на тижні;
− пропрієтарність протоколів: пристрій використовує закритий
протокол обміну даними між зондом і терміналом. Це унеможливлює
інтеграцію зонда WQC-40 у сучасні системи Smart City або підключення до
сторонніх контролерів (таких як Arduino або ESP32) без вартісних офіційних
адаптерів, що суперечить сучасним концепціям відкритих кіберфізичних
архітектур та розподіленого збору даних [10, 11];
− проблеми з калібруванням: через велику кількість датчиків процес
повного калібрування перед виїздом на об’єкт займає до 40-60 хвилин і
потребує значної кількості дорогих буферних розчинів, що підвищує вартість
одного вимірювання і вимагає автоматизації процесів цифрової фільтрації й
первинного опрацювання сигналів у мобільних системах [12].
Незважаючи на високу точність, система NKK WQC-40 є яскравим
прикладом «закритої» інженерної екосистеми [13]. Її використання
виправдане лише у великих державних проектах із відповідним бюджетом на
сервісне обслуговування. Для завдань оперативного, портативного та
бюджетного моніторингу в межах побудови мереж моніторингу Інтернету
речей (IoT) дане рішення є надмірним та економічно недоцільним [14].
2. Портативний аналізатор HQ40d (Hach, США). Аналізатор Hach
HQ40d (рис. 2.2) представляє сегмент професійного лабораторно-польового
обладнання і розроблений з урахуванням жорстких міжнародних нормативних
вимог до контролю якості вимірювань [7]. Головною інновацією цього
пристрою є перехід від аналогової передачі сигналу до повністю цифрової
технології IntelliCAL. У цій системі кожен електрод є самостійним
інтелектуальним пристроєм, що має власний АЦП та мікропроцесор.
Розширені техніко-економічні та експлуатаційні характеристики:
− технологія Plug-and-Play: при підключенні датчика до головного
блоку через спеціальний 13-контактний роз’єм, пристрій автоматично зчитує
серійний номер, історію калібрування та термін експлуатації електрода;
20
− гнучкість конфігурації: пристрій має два незалежні канали, що
дозволяє одночасно підключати, наприклад, два pH-електроди для порівняння
або pH-метр та датчик розчиненого кисню (LDO);
− енергозалежна пам’ять: кожен датчик IntelliCAL зберігає власні
параметри калібрування. Це дозволяє калібрувати датчики в лабораторії, а
потім використовувати їх у полі з іншим базовим блоком без повторної
настройки.

Рис. 2.2. Портативний аналізатор Hach HQ40d
з підключеними цифровими електродами IntelliCAL
Аналіз переваг та недоліків на основі відгуків профільних фахівців:
− стабільність сигналу: користувачі відзначають повну відсутність
«дрейфу» значень, характерного для аналогових систем, оскільки
оцифрування відбувається безпосередньо в корпусі датчика, що нівелює вплив
електричних завад від кабелю та спрощує подальше опрацювання інформації
на центральному процесорі;
− економічний бар’єр: головним негативним відгуком є екстремально
висока вартість витратних матеріалів. Оскільки в кожен датчик вбудована
електроніка, його ціна у 5-8 разів перевищує ціну стандартного аналогового
електрода;
− обмеженість інтерфейсів: незважаючи на цифрову природу, пристрій
не має вбудованого модуля Bluetooth або Wi-Fi. Для передачі даних на ПК
використовується громіздкий USB-адаптер, який часто виходить з ладу при
21
роботі в умовах підвищеної вологості. Відсутність інтегрованих бездротових
засобів передачі даних суттєво обмежує використання даної системи в
сучасних розподілених телеметричних архітектурах [13] та унеможливлює
швидку побудову на її основі відкритих призначених для користувача додатків
безпосередньо «з поля» [15].
3. Мобільна лабораторія Hanna Instruments HI98194. Модель
HI98194 (рис. 2.3) від відомого італійського бренду Hanna Instruments являє
собою спеціалізоване інженерне рішення, яке займає нішу між портативними
ручними тестерами та складними стаціонарними станціями моніторингу. Ця
система була розроблена з особливим акцентом на роботу в критичних
польових умовах, де обладнання піддається впливу екстремальної вологості,
механічних ударів та занурення в агресивні середовища. Інженерна концепція
пристрою базується на створенні «невбивної» польової лабораторії, яка
дозволяє екологу провести повний цикл досліджень безпосередньо біля
джерела забруднення, уникаючи похибок, що виникають при транспортуванні
проб до стаціонарного офісу.
Розширені техніко-економічні та експлуатаційні характеристики:
− повна герметичність за стандартом IP67: міцний корпус пристрою
виготовлений з ABS-пластику з прогумованими вставками, що дозволяє йому
витримувати занурення у воду на глибину до 1 метра протягом 30 хвилин.
Навіть при випадковому падінні у водойму пристрій зберігає плавучість
протягом певного часу, що полегшує його порятунок без втрати накопичених
даних;
− система GLP (Good Laboratory Practice): пристрій автоматично
документує кожен етап роботи оператора. До пам’яті записуються не лише
результати, а й точна дата, час, значення використаних буферних розчинів та
стан кожного електрода на момент калібрування. Це створює юридично
значущий ланцюжок доказів для офіційних екологічних експертиз на
відповідність діючим державним санітарно-гігієнічним вимогам [3];
22
− посилений багатопараметричний зонд: конструкція зонда передбачає
швидку заміну окремих сенсорів у польових умовах. Зонд оснащений
спеціальним захисним кожухом, який запобігає механічному пошкодженню
скляних електродів pH-метра об каміння або дно водойми, водночас
забезпечуючи вільну циркуляцію води навколо сенсорів.

Рис. 2.3. Зовнішній вигляд багатоканального пристрою
Hanna HI98194
Аналіз переваг та недоліків на основі відгуків профільних фахівців:
− складність цифрової синхронізації: фахівці часто вказують на
застарілий метод передачі даних. Використання спеціалізованого програмного
забезпечення Hanna HI92000 вимагає встановлення специфічних драйверів, які
часто конфліктують із сучасними версіями операційних систем;
− проблеми з оперативністю передачі даних: відсутність вбудованих
бездротових модулів (Wi-Fi або Bluetooth) створює розрив між вимірюванням
у полі та аналізом даних у штабі. Спеціаліст змушений фізично повертатися
до лабораторії, щоб завантажити логи через кабель, що робить пристрій
непридатним для систем швидкого оповіщення про екологічні катастрофи. З
23
інженерної точки зору, відсутність підтримки енергоефективних бездротових
сенсорних мереж [8] та сучасних телеметричних протоколів передачі
повідомлень, таких як MQTT [16], унеможливлює інтеграцію
пристрою HI98194 у автоматизовані комплекси екологічного моніторингу
реального часу [13];
− висока вага та ергономічне навантаження: повний комплект
пристрою разом із зондом, довгим кабелем та набором калібрувальних
стандартів у захисному кейсі важить понад 4 кг. Це створює значне фізичне
навантаження на інспектора при проведенні піших обходів протяжних ділянок
річок чи берегової лінії;
− висока вартість обслуговування вимірювальних каналів: незважаючи
на можливість заміни окремих сенсорів, вартість оригінальних запчастин
Hanna залишається досить високою для невеликих приватних лабораторій, що
змушує власників шукати дешевші, але менш точні аналоги.
4. Бюджетні побутові тестери (на прикладі Xiaomi Mi TDS Pen
та аналоги). Для повноти аналізу ринку необхідно розглянути сегмент
масових споживчих пристроїв, які набули широкої популярності завдяки своїй
ціновій доступності. Це ультра компактні пристрої (виконані у форм-факторі
«ручка»), призначені для експрес-аналізу питної води в домашніх умовах.
Типовими представниками цього класу є Xiaomi Mi TDS Pen, а також численні
безбрендові тестери серії pH-009 та TDS-3 (рис. 2.4).
Розширені техніко-економічні та експлуатаційні характеристики:
− максимальне спрощення обчислювальної бази: архітектура таких
пристроїв базується на бюджетних 8-бітних мікроконтролерах типу OTP
(одноразово програмовані). Для зниження собівартості виробники
відмовляються від використання зовнішніх кварцових резонаторів на користь
внутрішніх RC-генераторів мікроконтролера. Це призводить до високої
часової нестабільності роботи АЦП та значних похибок вимірювання при зміні
температури навколишнього середовища, в якій знаходиться сам корпус
пристрою. Таке апаратне обмеження унеможливлює розгортання повноцінних
24
програмних алгоритмів цифрової фільтрації завад та шумів безпосередньо «на
борту» пристрою [17, 18];
− низька якість вимірювального тракту: прецизійні операційні
підсилювачі, необхідні для роботи з високим імпедансом pH-електродів,
замінюються на дешеві аналоги загального призначення. Це спричиняє
значний дрейф «нуля» та робить результати вимірювань залежними від рівня
заряду елементів живлення (зазвичай це 2 або 3 мініатюрні батарейки типу
LR44/AG13), що критично порушує базові метрологічні принципи
опрацювання вимірювальних сигналів [19];
− примітивна індикація та відсутність пам’яті: використання
сегментних РК-дисплеїв без підсвічування обмежує використання пристрою в
умовах недостатнього освітлення. Пристрої позбавлені будь-яких засобів
енергонезалежної пам’яті (EEPROM), тому вони не здатні зберігати
результати попередніх замірів для побудови динаміки змін.

Рис. 2.4. Типова архітектура та зовнішній вигляд
бюджетних тестерів якості води
Аналіз переваг та недоліків на основі відгуків профільних фахівців:
− відсутність модульності: електроди в таких пристроях інтегровані
безпосередньо в корпус і не підлягають заміні. Враховуючи, що термін життя
25
дешевого pH-електрода при активному використанні рідко перевищує
3-6 місяців через деградацію скляної мембрани або витікання електроліту,
пристрій швидко стає непридатним для роботи через фізико-хімічні
особливості конструкції таких вимірювальних вузлів [4];
− номінальна термокомпенсація: функція автоматичної температурної
компенсації (АТК) у бюджетному сегменті часто реалізована програмно за
допомогою дешевих термісторів з великим допуском опору. Це забезпечує
лише видимість коригування значень, тоді як реальна похибка при відхиленні
температури води від +25°C може сягати 15-20 %, що вимагає впровадження
надійних методів цифрової фільтрації у сучасних вимірювальних системах
екологічного моніторингу [20];
− низька хімічна стійкість: контакти датчиків солевмісту (TDS) у
бюджетних моделях часто виготовляються зі звичайної сталі з тонким
напиленням, яке швидко окислюється при контакті з жорсткою або солоною
водою. Це призводить до спотворення результатів вимірювання
електропровідності вже після перших десяти циклів використання, та
унеможливлює коректний контроль якості природних вод у реальних
польових умовах [2, 21].
2.2 Порівняльна характеристика засобів вимірювання
гідрохімічних показників води
Для систематизації інформації та виявлення функціональних прогалин у
комерційних рішеннях, основні техніко-економічні показники розглянутих
пристроїв зведено у порівняльну табл. 2.1.
Проведений порівняльний аналіз засобів вимірювання гідрохімічних
показників води (табл. 2.1) доводить наявність критичного розриву на ринку
мобільних засобів екологічного моніторингу якості води.

26
Таблиця 2.1
Порівняльна характеристика засобів вимірювання
гідрохімічних показників води
Бюджетні
Критерій тестери Розроб-
WQC-40 HQ40d HI98194
порівняння / (Xiaomi люваний
(NKK) (Hach) (Hanna)
Модель та пристрій
аналоги)
1- 4-5 базо-
до 2 канали до
Кількість 2 (окремо вих
11 одно- (змінні 12 параме
параметрів pH або парамет-
часно зонди) трів
TDS) рів
низька висока
висока висока висока
Точність (висока (апаратна
(промис- (лабора- (лабора-
вимірювань похибка АТК та
лова) торна) торна)
АТК) АЦП)
відсутня
Бездротова є (Wi-Fi /
(опція за відсутня відсутня відсутня
передача (IoT) Bluetooth)
доплату)
EEPROM
внутріш- внутріш- до 45000
Логування +
ня ня записів відсутнє
даних хмарний
пам’ять пам’ять (GLP)
сервер
закрита закрита закрита закрита
Тип відкрита
(інтегро- (чіповані (пропріє- (незнімні
архітектури (стандарт-
ваний Intelli- тарний електро-
датчиків ні BNC)
зонд) CAL) роз’єм) ди)
низька
середня середня нульова висока
Ремонтоприд (заміна
(тільки (тільки (одно- (модульна
атність всього
оригінал) оригінал) разові) заміна)
зонда)
дуже дуже
Орієнтовна висока висока низька
висока низька
вартість (~ $2000) (~ $1500) (< $100)
(> $3000) ($10-$20)

З одного боку представлені високоточні професійні системи, які мають
закриту апаратну архітектуру, позбавлені сучасних бездротових інтерфейсів
та є економічно недоступними для масового впровадження [13]. Специфіка
їхньої побудови суперечить сучасним відкритим архітектурним стандартам і
концепціям масштабованості кіберфізичних систем [11].
27
З іншого боку – бюджетні тестери, які не забезпечують необхідної
точності, не мають апаратної термокомпенсації й не здатні зберігати історію
вимірювань, що грубо порушує сучасні метрологічні підходи до опрацювання
та валідації результатів експериментальних досліджень [19].
Це висвітлює доцільність розробки портативного пристрою
вимірювання гідрохімічних показників води на базі сучасної
мікроконтролерної платформи з відкритою архітектурою, стандартними
роз’ємами для підключення доступних датчиків та інтегрованими модулями
бездротового зв’язку в межах парадигми Інтернету речей (IoT) [10, 14].
2.3 Формування технічних вимог до розроблюваного пристрою
Враховуючи виявлені недоліки комерційних рішень, головною метою
даної кваліфікаційної роботи бакалавра є розробка компактного, бюджетного
та автономного пристрою вимірювання гідрохімічних показників води для
проведення оперативного моніторингу якості води.
На основі аналізу предметної області було сформовано перелік основних
технічних вимог до апаратної та конструктивної частин пристрою, які можна
розділити на чотири категорії.
1. Функціональні вимоги до вимірювального тракту:
− багатопараметричність: пристрій повинен підтримувати обробку
сигналів для вимірювання базових параметрів, а саме водневого
показника (pH), температури води, питомої електропровідності (EC) та
загального солевмісту (TDS) [2, 4];
− апаратна термокомпенсація (АТК): оскільки показники pH та
електропровідності мають сильну нелінійну залежність від температури
середовища, мікроконтролер повинен у реальному часі коригувати ці значення
на основі даних від прецизійного цифрового термометра;
− відкритість інтерфейсів: пристрій має бути оснащений стандартними
роз’ємами типу BNC, що дозволить користувачеві підключати датчики від
будь-яких виробників, уникаючи прив’язки до одного бренду.
28
2. Вимоги до обчислювальної частини та комунікації:
− локальна індикація: для забезпечення повної автономності в
польових умовах, пристрій має бути оснащений енергоефективним дисплеєм
(наприклад, OLED) для миттєвого відображення поточних показників без
необхідності підключення до смартфона [15];
− бездротова передача даних: центральний мікроконтролер повинен
мати апаратну підтримку стандартів Wi-Fi (802.11 b/g/n) та Bluetooth, що є
ключовою вимогою для реалізації концепції Інтернету речей (IoT) та передачі
зібраних даних на хмарні сервери чи мобільні додатки [2].
3. Вимоги до системи живлення та енергоспоживання:
− автономність: оскільки пристрій є портативним, він повинен
живитися від вбудованого акумулятора з урахуванням того, що пікове
споживання системи під час передачі даних по Wi-Fi може досягати
250-300 мА, а в режимі очікування – близько 50-70 мА [18];
− вибір елемента живлення: для забезпечення тривалого часу
автономної роботи (не менше 10-12 годин безперервного активного режиму)
доцільно використовувати літій-іонний акумулятор формату 18650 ємністю
від 2500 до 3400 мАг;
− зарядний ланцюг: апаратна частина має містити вбудований
контролер заряду з сучасним роз’ємом USB Type-C, що дозволить заряджати
пристрій від стандартних портативних акумуляторів (Power Bank) або блоків
живлення.
4. Конструктивні вимоги та ергономіка:
− компактність (Handheld-формфактор): габарити головного блоку
мають дозволяти зручно утримувати пристрій однією рукою під час
проведення вимірювань;
− проєктування корпусу: з метою зниження собівартості та
забезпечення швидкого прототипування, корпус пристрою має бути
спроєктований у CAD-системі та виготовлений методом FDM 3D-друку з
ударостійкого пластику (PETG або ABS);
29
− фізичний захист: конструкція корпусу повинна передбачати надійну
ізоляцію електронної плати та контактних груп від випадкового потрапляння
вологи під час роботи поблизу водойм.
Сформульовані технічні вимоги утворюють повноцінне технічне
завдання, яке є базисом для переходу до наступного етапу проєктування –
вибору конкретної електронної компонентної бази (мікроконтролера, дисплея,
датчиків) та розробки структурної та електрично принципової моделей
пристрою.
30
3 ПРОЄКТУВАННЯ ПРИСТРОЮ ВИМІРЮВАННЯ
ГІДРОХІМІЧНИХ ПОКАЗНИКІВ ВОДИ
3.1 Вибір та обґрунтування мікроконтролерної платформи
Будь-який сучасний пристрій для екологічного моніторингу потребує
надійного «мозку» – центрального мікроконтролера, який буде керувати всіма
процесами. У кваліфікаційній роботі до цього вузла висувається цілий ряд
специфічних вимог. По-перше, він має зчитувати аналогові сигнали з датчиків
pH та солевмісту. По-друге, він повинен мати достатньо обчислювальної
потужності для математичного згладжування шумів (фільтрації). По-третє, і
це найголовніше для концепції Інтернету речей (IoT) – він повинен вміти
самостійно підключатися до бездротової мережі та відправляти дані на сервер.
Щоб обрати оптимальне рішення, проведено порівняльний аналіз
чотирьох найбільш популярних платформ на ринку мікроелектроніки.
1. Платформа Arduino (на базі чипу ATmega328P). Це класичний
вибір для більшості невеликих розробок. Плати сімейства Arduino (наприклад,
модель Nano) відрізняються надзвичайною простотою в написанні коду та
величезною кількістю готових бібліотек під будь-які датчики. Зовнішній
вигляд плати Arduino Nano наведено на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Зовнішній вигляд плати Arduino Nano
31
Проте, при детальному аналізі ця платформа виявилася непридатною
для розроблюваного пристрою. Це 8-бітний контролер із тактовою частотою
всього 16 МГц. Його аналогово-цифровий перетворювач (АЦП) має роздільну
здатність лише 10 біт (1024 рівні), чого занадто мало для фіксації мінімальних
змін рівня pH [6]. Але головний недолік – повна відсутність вбудованого Wi-
Fi. Щоб підключити Arduino до Інтернету, довелося б купувати окремий
громіздкий модуль (наприклад, ESP-01 або Ethernet-шилд), що значно
збільшило б розміри корпусу та ускладнило б схему живлення, а також
обмежило б можливості реалізації алгоритмів попередньої цифрової обробки
сигналів на борту контролера [8].
2. Платформа STM32 (на базі чипа STM32F103C8T6). Розуміючи
обмеження Arduino, розглянуто промисловий стандарт – 32-бітні контролери
сімейства ARM Cortex-M, зокрема популярна плата, відома серед інженерів
як «Blue Pill», зовнішній вигляд якої показано на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Зовнішній вигляд налагоджувальної плати STM32 «Blue Pill»
Це потужний контролер. Він працює на частоті 72 МГц і має 12-бітні
АЦП, що ідеально підходить для зняття показань з аналогових датчиків. Однак
і тут виникає та ж проблема: у бюджетних контролерах STM32 немає
інтегрованих радіомодулів. Додавання зовнішнього Wi-Fi трансивера
32
суперечить меті створення максимально компактного та енергоефективного
пристрою на одній платі.
3. Платформа ESP8266 (модуль NodeMCU). Шукаючи
мікроконтролер із вбудованим Wi-Fi, логічним кроком стало розглянути
чип ESP8266, зовнішній вигляд якого наведено на рис. 3.3. Цей контролер
зробив справжню революцію у світі саморобного IoT завдяки низькій ціні та
вбудованій підтримці мереж 802.11 b/g/n [6].

Рис. 3.3. Зовнішній вигляд модуля NodeMCU на базі ESP8266
На перший погляд, це був ідеальний варіант. Але він має один
критичний апаратний нюанс: ESP8266 має лише 1 (один) аналоговий вхід
(пін A0). Оскільки в розроблюваному пристрої планується використання як
мінімум двох аналогових сенсорів (pH-метр та TDS-метр), довелося б додавати
до схеми зовнішній аналоговий мультиплексор або окрему мікросхему АЦП.
Це призвело б до удорожчання та ускладнення друкованої плати, а також
створило б додаткові завади при цифровому опрацюванні сигналів у
мікроконтролерній системі [8].
4. Платформа ESP32 (модуль WROOM-32). Потім проаналізовано
більш сучасну розробку від компанії Espressif Systems – систему на кристалі
ESP32. Справа в тому, що компанія за останні роки випустила цілу лінійку
різних версій цього контролера, і не всі вони однаково добре підходять для
розробки запропонованого в кваліфікаційній роботі бакалавра пристрою.
33
Спочатку розглянуто сучасну флагманську модель ESP32-S3. Це дуже
потужний чип, який має апаратну підтримку інструкцій для роботи зі штучним
інтелектом та нейромережами. Проте, оцінивши вимоги до розроблюваного
пристрою, стало зрозуміло, що для зчитування даних з пари аналогових
датчиків та відправки інформації на сервер така обчислювальна потужність є
надлишковою. Крім того, плати на базі S3 коштують помітно дорожче, що
суперечить завданню розробити доступний бюджетний пристрій.
Потім розглянуто чип ESP32-C3, що побудований на новітній відкритій
архітектурі RISC-V. Його головна перевага полягає в екстремально низькому
енергоспоживанні, що виглядає ідеально для автономного пристрою на
акумуляторі. Але під час детального вивчення технічної документації
виявлено серйозний «підводний камінь». Ця модель є одноядерною і має дуже
обмежену кількість каналів АЦП (всього 6). Більше того, архітектура чипа
влаштована так, що під час активної роботи модуля Wi-Fi частина цих
аналогових каналів стає недоступною через апаратні конфлікти. Для
розроблюваного пристрою, де використовуються аналогові датчики pH та
TDS, це неприпустимо – втрачається можливість вимірювати показники в
момент передачі даних до хмари.
Враховуючи виявлені обмеження нових моделей, вирішено зупинитися
на перевіреному часом модулі ESP32-WROOM-32D.
Цей вибір обґрунтований декількома критично важливими
факторами [18]:
1. Наявність двох незалежних обчислювальних ядер (архітектура
Xtensa). Це дозволяє програмно розділити потоки: одне ядро стабільно зчитує
показання датчиків й проводить математичну фільтрацію без жодних
мікрозатримок, а друге – спокійно займається підтримкою
з’єднання з Wi-Fi [24].
2. Велика кількість аналогових входів. У класичному ESP32
реалізовано 18 каналів АЦП, які розділені на два незалежні блоки (ADC1 та
ADC2). Датчики можна підключити до каналів першого блоку (ADC1), який
34
повноцінно працює навіть при увімкненому радіомодулі.
3. Покращений радіотракт версії «D». Окремо варто пояснити, чому
обрано саме версію з індексом «D». На відміну від найперших базових
моделей, у модифікації WROOM-32D суттєво перероблена конструкція
вбудованої антени (MIFA). Оскільки розроблюваний пристрій призначений
для використання у польових умовах на відкритих водоймах, де роутер або
смартфон у режимі точки доступу може знаходитися на певній відстані,
стабільність і дальність захоплення Wi-Fi сигналу матиме вирішальне
значення.
Таким чином, використання налагоджувальної плати ESP32
DevKit (рис. 3.4) саме з чипом WROOM-32D забезпечує ідеальний баланс між
продуктивністю, достатньою кількістю портів для всіх датчиків та
стабільністю бездротового зв’язку.

Рис. 3.4. Зовнішній вигляд налагоджувальної плати ESP32 DevKit V1
ESP32 має двоядерний 32-бітний процесор із частотою до 240 МГц,
вбудовані модулі Wi-Fi та Bluetooth, а також – що найважливіше – цілих
18 каналів високоточного 12-бітного АЦП. Це дозволяє підключити всі
необхідні датчики безпосередньо до контролера без жодних посередників [15].
35
Крім того, наявність двох ядер дозволяє розпаралелити завдання: одне ядро
можна виділити суто під опитування датчиків та виведення даних на екран, а
друге – виключно для підтримки стабільного з’єднання з хмарним
сервером [24].
Для наочності, результати порівняльного аналізу ключових
характеристик мікроконтролерів зведено у табл. 3.1.
Таблиця 3.1
Порівняльний аналіз мікроконтролерних платформ
ESP32
Arduino STM32 Blue
Характеристик NodeMCU DevKit
Nano Pill
а (ESP8266) (WROOM-
(ATmega328) (F103C8T6)
32)
Розрядність/ 32-біт/ARM 32-біт/ 32-біт/Xtensa
8-біт/AVR
Архітектура Cortex-M3 Tensilica Dual-Core
Тактова
16 МГц 72 МГц 80 МГц 240 МГц
частота
Wi-Fi +
Вбудований тільки
відсутні відсутні Bluetooth
Wi-Fi / Bluetooth Wi-Fi
(BLE)
Кількість
8 каналів 10 каналів 1 канал 18 каналів
каналів АЦП
Роздільна 10 біт 12 біт 10 біт 12 біт
здатність АЦП (1024 рівні) (4096 рівнів) (1024 рівні) (4096 рівнів)
Придатність до висока
низька середня низька
розробки (оптимально)

Проаналізувавши дані з табл. 3.1, стає очевидним, що єдиним
контролером, який повністю закриває всі апаратні потреби розроблюваного
пристрою без використання додаткових зовнішніх модулів зв’язку або
розширювачів портів є ESP32 DevKit (WROOM-32).
3.2 Вибір та обґрунтування датчиків моніторингу гідрохімічних
показників якості води
Під час підбору датчиків для моніторингу гідрохімічних показників
якості води виявлено типову інженерну дилему: на ринку існують або занадто
дорогі промислові рішення, або дешеві модулі-іграшки, які не дають жодної
36
точності. Тому для кожного з трьох ключових параметрів (pH, мінералізація
та температура) проведено детальний аналіз доступних аналогів, щоб знайти
оптимальний баланс між ціною, простотою інтеграції з ESP32 та надійністю
результатів.
1. Вибір модуля вимірювання водневого показника (pH).
Вимірювання pH – це найскладніша частина роботи, оскільки скляний
електрод видає мікроскопічні струми, які дуже легко спотворити будь-якими
електромагнітними завадами [4]. Щоб вирішити, як саме підключати pH-зонд
до контролера, розглянуто декілька популярних модулів.
− цифровий модуль Atlas Scientific EZO-pH має вбудований
мікропроцесор, що обробляє вхідні аналогові дані з електрода, проводить
термокомпенсацію й видає на ESP32 готове ідеальне значення по шині I2C або
UART. Зовнішній вигляд модуля Atlas Scientific EZO-pH наведено на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Зовнішній вигляд модуля Atlas Scientific EZO-pH
Проте від цього варіанту довелося відмовитися через його вартість. Ціна
лише однієї такої плати (без самого електрода) перевищує 40-50 дол., що
перетворює розроблюваний пристрій на вартісну лабораторію;
− промисловий трансмітер pH з інтерфейсом RS485, зовнішній вигляд
якого показано на рис. 3.6. Такі датчики використовуються на заводах і
очисних спорудах. Їх перевага в тому, що сигнал передається по цифровому
37
промисловому протоколу Modbus, і довжина кабелю може сягати сотень
метрів без втрати точності.
Але тут виникла проблема апаратної сумісності. Такі промислові зонди
вимагають живлення від 12 до 24 Вольт, тоді як плата розроблюваного
пристрою працює від акумулятора на 3.7 В. До того ж, для прийому сигналу
RS485 потрібно ставити на плату додаткову мікросхему-
перетворювач (наприклад, MAX485), що ускладнило б схему;

Рис. 3.6. Зовнішній вигляд промислового датчика pH
стандарту RS485
− саморобна схема на базі операційного підсилювача LM358 (рис. 3.7),
зібрана на макетній платі. Це найдешевший шлях: застосовуємо звичайний
підсилювач і намагаємося «розтягнути» сигнал електрода до потрібних
мікроконтролеру значень.
Практичні тести показали повну неспроможність такого підходу. Дешеві
мікросхеми загального призначення не мають достатнього вхідного опору
(імпедансу), тому вони «просаджують» сигнал скляного електрода. Крім того,
значення pH постійно «плавали» від найменшого протягу в кімнаті чи зміни
температури самої мікросхеми;
38

Рис. 3.7. Саморобна схема підсилення для pH на макетній платі
− аналоговий модуль pH-4502C у зв’язці зі стандартним електродом
E201-BNC [19] наведено на рис. 3.8.

Рис. 3.8. Зовнішній вигляд модуля pH-4502C та
комбінованого електрода
Ця плата побудована на прецизійних підсилювачах, спеціально
розрахованих на роботу з хімічними сенсорами. Модуль видає звичайний
аналоговий сигнал напруги, який можна напряму читати вбудованим АЦП
ESP32. Важливою перевагою є наявність роз’єму BNC: скляні електроди з
39
часом деградують й виходять з ладу (це витратний матеріал), а стандартний
порт дозволяє замінити електрод за дві секунди, просто відкрутивши його, не
торкаючись паяльника [4].
Для наочності, результати порівняльного аналізу ключових
характеристик модулів вимірювання водневого показника (pH) зведено
у табл. 3.2.
Таблиця 3.2
Порівняльний аналіз модулів вимірювання pH
Atlas Саморобна
Промислов Модуль
Характеристика Scientific схема
ий RS485 pH-4502C
EZO (LM358)
понад
Вхідний імпеданс понад понад близько 10^12 Ом
підсилювача 10^12 Ом 10^12 Ом 10^6 Ом (чип
CA3140)
програмне програмне апаратне апаратне
Метод (збере- (через (заміна (прецизійні
калібрування ження в регістри резисторів у потенціо-
EEPROM) Modbus) дільнику) метри)
відсутня
Вбудована так
так (мікро- (реалізу-
термокомпенсація (апаратно- відсутня
процесорна) ється на
(АТК) програмна)
ESP32)
цифровий цифровий аналоговий аналоговий
Формат вихідного
(I2C/ (Modbus (нестабільна (напруга
сигналу
UART) RTU) напруга) 0...5 В)
Робоча напруга
3.3 В 12-24 В 5 В 5 В
живлення

Аналізуючи об’єктивні технічні параметри, наведені у табл. 3.2, стає
зрозумілою причина відмови від саморобної схеми: її вхідний опір на шість
порядків нижчий за необхідний, що призведе до катастрофічного
«просідання» та спотворення гальванічного сигналу скляного електрода [4].
Водночас модуль pH-4502C гарантує необхідний надвисокий опір (понад
1 ТераОм) завдяки використанню спеціалізованого операційного підсилювача
(наприклад, CA3140 або аналогів), і при цьому не потребує 12-вольтового
промислового живлення [19]. Відсутність вбудованої мікропроцесорної
40
термокомпенсації у модулі pH-4502C не є перешкодою, оскільки ця функція
буде реалізована математичним шляхом на боці двоядерного
контролера ESP32 з використанням даних від цифрового термометра.
2. Вибір датчика загального солевмісту (TDS). Вимірювання
TDS (Total Dissolved Solids) базується на вимірюванні електропровідності
води. Чим більше у воді розчинених солей, тим краще вона проводить
струм [2]. Щоб пристрій визначав жорсткість води, розглянуто три
вимірювача.
− саморобний кондуктометричний щуп постійного струму (DC),
зовнішній вигляд якого наведено на рис. 3.9. Ідея полягає в тому, щоб
опустити у воду два контакти (наприклад, два цвяхи або шматочки мідного
дроту), подати на них напругу 3.3 В з плати й через звичайний резистивний
дільник вимірювати падіння напруги.

Рис. 3.9. Зовнішній вигляд примітивного вимірювача провідності
на базі дільника напруги
Цей варіант був відкинутий ще на етапі теоретичного аналізу.
Використання постійного струму у воді миттєво викликає процес електролізу.
Біля одного контакту починають виділятися бульбашки газу (поляризація), а
сам метал починає стрімко розчинятися та іржавіти. Дані такого «датчика»
стають хибними вже через 10 секунд після занурення у воду;
41
− професійний модуль DFRobot Gravity: Analog Electrical
Conductivity (K=1), зовнішній вигляд якого показано на рис. 3.10. Це крутий
лабораторний сенсор із платиновими електродами, який використовується для
точних хімічних досліджень.

Рис. 3.10. Зовнішній вигляд лабораторного датчика
провідності DFRobot Gravity EC
Він ідеальний в усьому, окрім позиціонування. Цей датчик розроблений
для наукових експериментів та розчинів із дуже широким діапазоном
солоності (аж до морської води), через що його ціна досить «кусається», а для
побутової чи річкової води така надмірна точність не є критичною;
− модуль DFRobot Analog TDS Sensor (або його аналоги), зовнішній
вигляд якого [13] наведено на рис. 3.11.
Головна інженерна перевага цієї плати полягає в тому, що на ній
розпаяний генератор змінного струму (AC). Модуль постійно змінює
полярність напруги на вимірювальних щупах із високою частотою. Завдяки
цьому іони у воді просто коливаються туди-сюди, не відбувається жодного
електролізу, контакти не окислюються, а бульбашки не збираються на металі.
Модуль може перебувати у воді годинами, видаючи стабільний аналоговий
сигнал. Крім того, він працює від напруги 3.3 В, що ідеально збігається з
напругою живлення ESP32.
42

Рис. 3.11. Зовнішній вигляд модулю вимірювання
солевмісту Analog TDS Sensor
Для наочного порівняння можемо розглянемо порівняння модулів
вимірювання солевмісту та їх характеристик у табл. 3.3.
Таблиця 3.3
Порівняльний аналіз засобів вимірювання солевмісту
Саморобний Лабораторний DFRobot Analog
Характеристика
DC-зонд EC модуль TDS
Тип струму
постійний змінний змінний
збудження
струм (DC) струм (AC) струм (AC)
електродів
відсутня
Стійкість до повна повна
(швидке
електролітичної (відсутність (відсутність
окислення
поляризації електролізу) електролізу)
контактів)
Матеріал спеціальний
вимірювальних мідь/сталь платина/графіт антикорозійний
електродів сплав
залежить від
Діапазон
АЦП 0-20 мс/см 0-1000 ppm
вимірювань
контролера
Робоча напруга
3.3 В або 5 В 3.3 В-5 В 3.3 В-5.5 В
живлення

Зіставлення цих даних чітко демонструє недоцільність самостійного
конструювання DC-зондів через закони хімії: постійний струм неминуче
43
викликає поляризацію та деградацію металу у воді, що унеможливлює
тривалий моніторинг. Модуль Analog TDS апаратно вирішує цю проблему за
допомогою вбудованого генератора змінного струму. Він видає стабільний
лінійний сигнал, працює від логіки 3.3 В без додаткових перетворювачів рівня
та забезпечує оптимальний діапазон вимірювань для природної прісної
води [2, 21].
3. Вибір прецизійного цифрового датчика температури.
Температура води – це не просто інформативний параметр, це життєво
необхідна змінна для всієї математики пристрою. Справа в тому, що і pH, і
солевміст сильно залежать від температури води (це явище вимагає алгоритмів
автоматичної термокомпенсації – АТК). Тому потрібен датчик, який міг би
точно фіксувати температуру, перебуваючи під водою.
− звичайний аналоговий термістор (NTC 10k). Це терморезистор, який
змінює опір при нагріванні. Зовнішній вигляд аналогового NTC термістора
показано на рис. 3.12.

Рис. 3.12. Аналоговий NTC термістор
Плюс у нього один – він коштує копійки. Але мінусів набагато більше.
По-перше, його потрібно самостійно гідроізолювати (заливати епоксидною
смолою чи силіконом), що часто призводить до протікань. По-друге,
залежність його опору від температури є нелінійною. Щоб отримати з нього
градуси Цельсія, мікроконтролеру довелося б виконувати складні
44
логарифмічні обчислення за рівнянням Стейнхарта-Харта. До того ж, опір
довгого кабелю від датчика до плати додавав би серйозну похибку.
− промисловий платиновий термоопір PT100. Це еталон у світі
вимірювання температури. Зовнішній вигляд промислового платинового
термоопору PT100 наведено на рис. 3.13.

Рис. 3.13. Зовнішній вигляд платинового термоопору PT100
Він надзвичайно точний, але для його роботи з ESP32 необхідна
спеціальна зовнішня мікросхема-підсилювач (наприклад, MAX31865).
Використання платинового сенсора з окремим дорогим драйвером для
простого моніторингу води в річці – це відверте «забивання цвяхів
мікроскопом»;
− цифровий датчик температури DS18B20 у водонепроникному
виконанні. Це не просто резистор, а повноцінна мікросхема, запаяна всередину
герметичної сталевої гільзи. Він спілкується з мікроконтролером по
цифровому протоколу 1-Wire. Це означає, що по кабелю передається не
аналогова напруга, а готові цифрові дані. І навіть якщо зробити кабель
довжиною 5 метрів, щоб опустити датчик на дно водойми, дані не
спотворяться ні на долю градуса.
45

Рис. 3.14. Зовнішній вигляд водонепроникного
цифрового датчика DS18B20
Для наочного порівняння прецизійних цифрових датчиків температури
розглянемо порівняльну табл. 3.4.
Таблиця 3.4
Порівняльний аналіз температурних перетворювачів
Аналоговий PT100 Датчик
Характеристика термістор (з драйвером DS18B20
NTC 10k MAX31865) (Waterproof)
Формат вихідного аналоговий цифровий (через цифровий (шина
сигналу (зміна опору) драйвер SPI) 1-Wire)
логарифмічна
Залежність ідеально лінійна
(рівняння близька до
показань від (внутрішня
Стейнхарта- лінійної
температури обробка)
Харта)
Матеріал епоксидна смола заводська
залежить від
зовнішнього (саморобна сталева гільза
модифікації
корпусу ізоляція) (SUS304)
Апаратна залежить від
15 біт (завдяки програмована
роздільна АЦП
MAX31865) (від 9 до 12 біт)
здатність мікроконтролера
прямий відсутній
Вплив опору компенсується
(збільшує (передача
з’єднувального 3/4-провідною
похибку «нулів» та
кабелю схемою
вимірювання) «одиниць»)

46
Зіставлення параметрів у табл. 3.4 підтверджує, що для мобільного та
автономного пристрою використання датчика DS18B20 є найбільш
оптимальним інженерним рішенням. Він повністю знімає проблему завад у
довгому кабелі, постачається у заводському надійному корпусі й не вимагає
дорогих проміжних мікросхем-драйверів. Це спрощує первинний збір даних
та дозволяє ефективно використовувати апаратні ресурси контролера для
подальшої цифрової фільтрації й опрацювання вимірювальних
сигналів [18, 20].
3.3 Вибір та обґрунтування засобів локальної індикації
Оскільки розроблюваний пристрій призначений для польових умов,
користувачеві не завжди буде зручно одразу діставати смартфон для перегляду
результатів через хмару. Тому виникла об’єктивна потреба оснастити пристрій
невеликим екраном.
Для інтеграції локального дисплея було сформовано наступний базовий
перелік технічних вимог:
− мінімальне енергоспоживання (для максимального збереження
заряду літієвого акумулятора);
− висока контрастність та читабельність при яскравому природному
освітленні;
− компактні габарити, що відповідають розмірам корпусу
портативного пристрою;
− мінімальна кількість задіяних сигнальних ліній (GPIO)
мікроконтролера.
Для реалізації цього завдання було проаналізовано чотири поширені
технології відображення інформації.
1. Символьний рідкокристалічний дисплей LCD 1602 (з модулем I2C),
зовнішній вигляд якого наведено на рис. 3.15.
47

Рис. 3.15. Зовнішній вигляд LCD 1602 з модулем I2C
Це стандартне рішення для багатьох розробок. Його головна перевага
полягає в надзвичайній простоті програмування та низькій вартості. Проте для
даної роботи він має критичні недоліки. Робота дисплея базується на постійно
увімкненому світлодіодному підсвічуванні матриці, що споживає
близько 20-30 мА струму, що є неприпустимим для малогабаритного
акумулятора. Крім того, його фізичні розміри (80 х 36 мм) занадто великі для
компактного «ручного» формфактора.
2. Кольоровий графічний TFT-дисплей (наприклад, з діагоналлю
1.8 дюйма по шині SPI), що показано на рис. 3.16.

Рис. 3.16. Кольоровий графічний TFT-дисплей 1.8”
48
Вони дозволяють виводити красиві графіки та кольорові показники.
Однак TFT-матриці страждають від сильного «вицвітання» під прямими
сонячними променями. Також використання шини SPI вимагає підключення
мінімум 5-6 сигнальних кабелів, що сильно перевантажує доступні піни
мікроконтролера ESP32, залишаючи менше вільного місця для розширення
системи новими датчиками.
3. E-Ink дисплей 1.54” побудований за технологією електронного
чорнила, зовнішній вигляд якого наведено на рис. 3.17. З точки зору
читабельності на сонці це ідеальний варіант (екран виглядає як звичайний
папір). Його унікальна особливість полягає в нульовому енергоспоживанні під
час статичного відображення інформації (струм витрачається лише в момент
оновлення картинки). Недоліком є надзвичайно низька швидкість оновлення
екрана (від 1 до 3 с).

Рис. 3.17. Зовнішній вигляд модуля дисплею
на базі електронного чорнила (E-Ink)
Оскільки датчики pH та солевмісту постійно фіксують мікроколивання
значень у реальному часі, екран на електронному чорнилі буде постійно
блимати чорно-білими артефактами при спробі оновити цифри, що робить
його непридатним для динамічної індикації.

49
4. OLED-дисплей з діагоналлю 0.96” на базі контролера SSD1306.
Зовнішній вигляд конструкції OLED-дисплею показано на рис. 3.18.

Рис. 3.18. Зовнішній вигляд мініатюрного OLED-дисплею 0.96”
(контролер SSD1306)
Технологія OLED базується на органічних світлодіодах, де кожен
піксель є самостійним джерелом світла. Відповідно, екран не має загальної
панелі підсвічування. Якщо виводити білі цифри на чорному тлі, енергію
споживають лише ті пікселі, що формують ці цифри. Він підключається всього
по двох сигнальних лініях (шина I2C) та має чудові кути огляду [15].
Об’єктивні апаратні характеристики розглянутих модулів індикації
зведено у порівняльну табл. 3.5.
Аналіз технічних показників, наведених у табл. 3.5, підтверджує
раціональність вибору OLED-модуля SSD1306 [18]. На відміну від LCD 1602
та кольорових TFT-матриць, які мають високе постійне споживання струму
через фонове підсвічування, OLED-дисплей забезпечує значну економію
енергії акумулятора. Апаратний інтерфейс I2C вимагає лише двох вільних
виводів мікроконтролера, що є критично важливим при обмеженій кількості
портів ESP32.
Крім того, на відміну від енергоефективної технології E-Ink, OLED
забезпечує миттєве (без затримок) оновлення числових показників з датчиків
у режимі реального часу, маючи при цьому абсолютну контрастність навіть в
умовах польової експлуатації пристрою.
50
Таблиця 3.5
Порівняльний аналіз дисплейних модулів
Характерист LCD 1602 TFT LCD E-Ink 1.54” OLED 0.96”
ика (I2C) 1.8” (SPI) (SPI) (I2C)
рідко-
електро- органічні
кристалічна з активна
Технологія форетична світлодіоди
LED матриця
матриці (електронний (самопідсві-
підсвічу- (кольорова)
папір) чування)
ванням
Інтерфейс I2C SPI SPI I2C
передачі (2 сигнальні (5 сигнальних (5 сигнальних (2 сигнальні
даних лінії) ліній) ліній) лінії)
Струм ~10-15 мА
~25 мА ~8 мА
споживання (залежить від
(з підсвічу- ~50 мА (тільки під час
(активний кількості
ванням) оновлення)
режим) тексту)
Струм
споживання
~25 мА ~50 мА < 0.01 мА ~10-15 мА
(статичний
режим)
Час
оновлення < 0.1 сек. < 0.1 сек. 1-3 сек. < 0.01 сек.
екрана
Робоча
напруга 5 В 3.3 В 3.3 В 3.3-5 В
логіки

3.4 Вибір та обґрунтування системи автономного живлення
Пристрій для екологічного моніторингу якості води за своєю
концепцією є портативним, тому він має бути повністю незалежним від
стаціонарної електромережі. З одного боку, мікроконтролер ESP32 під час
активної передачі даних по Wi-Fi може споживати імпульсні струми
до 400-500 мА [18]. З іншого боку, аналогова плата pH-метра вимагає
стабільних 5 В для коректної роботи операційного підсилювача.
Отже, до джерела енергії було сформовано наступні базові вимоги:
− можливість багаторазового відновлення заряду від звичайного
павербанка або комп’ютера через USB;
51
− достатня ємність для забезпечення кількох діб автономної роботи без
підзарядки;
− здатність віддавати високі пікові струми без «просідання» напруги;
− наявність вбудованих апаратних механізмів захисту від короткого
замикання та перерозряду.
Щоб задовольнити ці критерії, проаналовано три принципово різні
підходи до організації автономного живлення.
1. Використання класичних лужних батарейок. Наприклад,
застосування однієї батареї типу «Крона» (9 В) або касети на чотири елементи
формату АА, як показано на рис. 3.19.

Рис. 3.19. Зовнішній вигляд блоку живлення
на базі батарейок типу АА та «Крони»
Цей варіант приваблює максимальною простотою схемотехніки: не
потрібно проєктувати жодних контролерів заряду чи плат захисту. Проте на
цьому його переваги закінчуються. Стандартна «Крона» має незначну ємність
(близько 250-400 мА·год), якої вистачить лише на декілька годин активної
роботи модуля Wi-Fi. Касета з чотирьох АА-батарейок дає більшу ємність, але
робить при цьому корпус пристрою невиправдано товстим і важким. Головний
недолік цього підходу – економічна недоцільність. Користувачеві доведеться
52
постійно купувати нові батарейки, а їх напруга неухильно падає в процесі
розряду, що катастрофічно вплине на точність показань аналогових датчиків.
2. Літій-полімерна (Li-Po) акумуляторна батарея у вигляді плоского
пакета, зовнішній вигляд конструкції якої наведено на рис. 3.20. Такі
акумулятори масово використовуються у смартфонах, планшетах та
квадрокоптерах. З інженерної точки зору це чудовий варіант. Li-Po елементи
мають найвищу щільність енергії на грам ваги, дозволяють зробити корпус
пристрою дуже тонким й здатні віддавати величезні струми. Але є суттєва
проблема щодо безпеки та довговічності. Оболонка такого акумулятора – це
звичайна термостійка фольга. Оскільки пристрій для аналізу води буде
використовуватися в польових умовах на природі, найменший механічний
тиск, пошкодження корпусу або прокол батареї гострим предметом може
призвести до її миттєвого займання.

Рис. 3.20. Зовнішній вигляд плаского
літій-полімерного (Li-Po) акумулятора
Крім того, Li-Po акумулятори схильні до «здуття» при різких перепадах
температур, а їх заміна вимагає розбирання пристрою та використання
паяльника.
3. Створення модульної системи на базі циліндричного літій-іонного
(Li-ion) акумулятора стандарту 18650. Зовнішній вигляд комплектуючих для
цієї системи наведено на рис. 3.21.
53

Рис. 3.21. Зовнішній вигляд компонентів системи живлення
(акумулятор 18650, модулі TP4056 та MT3608)
Цей формат є промисловим стандартом. Акумулятор 18650 має міцний
металевий корпус, що робить його абсолютно стійким до механічних впливів,
і величезну ємність (до 3400 мА·год). Щоб перетворити цей елемент на
повноцінну й безпечну систему живлення, потрібно розробити зв’язку з двох
додаткових плат:
− модуль заряду TP4056 з роз’ємом USB Type-C. Він не лише
контролює струм заряджання акумулятора за правильним графіком, але й
містить мікросхему захисту (BMS). Вона апаратно відключає батарею, якщо її
напруга падає нижче 2.5 В, що рятує хімію акумулятора від незворотного
глибокого розряду;
− підвищувальний DC-DC перетворювач MT3608. Оскільки літієва
батарея видає від 3.2 до 4.2 В (залежно від рівня заряду), а для датчика pH
потрібно рівно 5 В, цей модуль автоматично «підтягує» плаваючу напругу до
стабільних 5 Вольт. Це гарантує, що вимірювальна електроніка працюватиме
в ідеальних умовах до повної розрядки батареї.
Технічні показники розглянутих джерел енергії зведено у
порівняльну табл. 3.6.
Аналізуючи зібрані апаратні характеристики, стає очевидним, що
використання одноразових батарейок є абсолютно нерентабельним для
енергоємних IoT-проєктів з бездротовою передачею даних [24].
54
Вибір між Li-Po та Li-ion технологіями визначається в першу чергу
умовами експлуатації: для польового пристрою механічна надійність і
пожежна безпека є пріоритетними, тому м’які літій-полімерні акумулятори
програють класичним металевим банкам 18650.
Застосування елемента 18650 у зв’язці з контролером заряду TP4056 та
підвищувальним перетворювачем MT3608 забезпечує пристрою тривалу
автономну роботу, ідеальну стабілізацію вихідної напруги для чутливих
аналогових сенсорів та максимальну зручність заряджання від будь-якого
сучасного джерела з кабелем Type-C [18].
Таблиця 3.6
Порівняльний аналіз систем автономного живлення
Батареї Акумулятор Збірка
Характеристика 4хАА Li-Po (плаский Li-ion 18650 +
(Alkaline) пакет) BMS + DC-DC
6.0 В Вхід: 3.7 В/
Номінальна 3.7 В (падає до
(поступово Вихід: стабільні
робоча напруга 3.0 В)
падає до 4.0 В) 5.0 В
Типова ємність ~1500-2500 ~1000-2000
2500-3400 мА·год
елемента мА·год мА·год
є (вимагає
Можливість відсутня є (вбудований
зовнішнього
перезаряджання (одноразові) модуль TP4056)
контролера)
висока
Механічна низька (м’яка висока (сталевий
(сталевий
міцність корпусу фольга) циліндр)
циліндр)
максимальна максимальна
Простота заміни складна (вимагає
(пружинний (пружинний
елемента пайки)
холдер) холдер)
висока
Експлуатаційна низька низька
(регулярна
вартість (багаторазовий) (багаторазовий)
купівля нових)

3.5 Специфікація та апаратна архітектура пристрою вимірювання
гідрохімічних показників води
Процес проєктування будь-якого електронного пристрою вимагає
комплексного підходу. Головною метою попередніх етапів було не просто
55
обрати найкращі компоненти у своїх категоріях, а переконатися, що вони
зможуть безконфліктно працювати разом як єдиний механізм. Особливу увагу
під час підбору приділено узгодженню логічних рівнів напруги (3.3 В та 5 В)
та раціональному розподілу апаратних інтерфейсів мікроконтролера, щоб
уникнути перевантаження шин передачі даних [18, 20].
Підсумовуючи проведений інженерний аналіз, сформовано остаточний
перелік компонентної бази, на основі якої буде будуватися принципова
електрична схема та розроблятися 3D-модель корпусу. Повну апаратну
конфігурацію розроблюваного пристрою наведено в табл. 3.7.
Такий набір комплектуючих гарантує високу ремонтопридатність
пристрою. Завдяки використанню модульної архітектури, вихід з ладу будь-
якого окремого датчика або екрана не потребує заміни всього пристрою –
достатньо лише від’єднати пошкоджений елемент і підключити новий [18].
Підсумовуючи етап підбору компонентів, можна впевнено сказати, що
зібрано оптимальний «конструктор» для розроблюваного пристрою. Дорогі
промислові системи та закриті лабораторні датчики не розглядалися, адже
вони економічно не вписуються в концепцію доступного пристрою. Практика
показує, що відкриті апаратні модулі здатні забезпечити гідний рівень
точності, якщо їх грамотно поєднати на рівні схемотехніки та застосувати
правильну програмну фільтрацію сигналів [18, 20].
У центрі архітектури розроблюваного пристрою стоїть мікроконтролер
ESP32-WROOM-32D. Його двоядерної потужності з запасом вистачить, щоб
без затримок зчитувати дані з аналогових датчиків pH та солевмісту,
опитувати цифровий термометр DS18B20, оновлювати показники на
енергоефективному OLED-дисплеї та одночасно тримати стабільне з’єднання
з бездротовою мережею.
Питання автономності також вирішено максимально практично: зв’язка
з надійного літій-іонного акумулятора формату 18650, контролера заряду та
підвищувального DC-DC перетворювача гарантує, що вся електроніка
отримуватиме стабільні 5 В незалежно від рівня розряду батареї [24].
56
Таблиця 3.7
Зведена специфікація обраної компонентної бази пристрою
Функціональний Обрана Робоча Інтерфейс Головний аргумент
вузол модель напруга підключення вибору (інженерне
компонента обґрунтування)
Наявність двох ядер
для паралельної
ESP32-
Центральний 3.3 В/ Wi-Fi, АЦП, обробки даних та
WROOM-32D
мікроконтролер 5 В I2C, 1-Wire достатня кількість (18)
(DevKit V1)
незалежних каналів
АЦП.
Надвисокий вхідний
Модуль pH- опір операційного
Аналізатор
4502C + Аналоговий підсилювача та
водневого 5 В
електрод сигнал наявність BNC-
показника (pH)
E201-BNC роз’єму для швидкої
заміни зонда.
Вбудований генератор
змінного струму (AC),
Аналізатор Модуль
Аналоговий що повністю
загального DFRobot 3.3 В
сигнал унеможливлює
солевмісту (TDS) Analog TDS
електролітичну
корозію щупів у воді.
Ідеальна лінійність
показань, заводська
Датчик
Вимірювач Цифровий (1- сталева гідроізоляція
DS18B20 3.3 В
температури води Wire) та незалежність
(Waterproof)
точності від довжини
кабелю.
Максимальна
енергоефективність
Дисплей завдяки відсутності
Модуль локальної Цифровий
OLED 0.96" 3.3 В фонового
індикації (I2C)
(SSD1306) підсвічування та
високий контраст на
сонці.
Велика ємність,
Акумулятор стійкість до
Джерело Li-ion механічних
3.7 В -
живлення стандарту пошкоджень
18650 (сталевий корпус) та
поширеність формату.
Апаратний захист від
Модуль глибокого розряду
Підсистема
заряду (BMS) та стабілізація
керування 5 В USB Type-C
TP4056 + DC- плаваючої напруги
живленням
DC MT3608 батареї до необхідних
5 В.

57
Сформований набір компонентів повністю закриває технічні вимоги
кваліфікаційної роботи бакалавра. Тепер, коли кожна плата та кожен сенсор
отримали своє обґрунтування, переходимо до наступного логічного кроку –
розробки структурної та електрично принципової моделей пристрою, щоб
об’єднати ці розрізнені модулі в єдиний робочий інструмент.
3.6 Розробка структурної моделі пристрою вимірювання
гідрохімічних показників води
Щоб не заплутатися у великій кількості контактів та інтерфейсів на етапі
створення електричної моделі, проектування апаратної частини будь-якого
пристрою завжди починається зі створення базової структурної моделі. Вона
дозволяє абстрагуватися від конкретних резисторів чи конденсаторів і
поглянути на систему «з висоти пташиного польоту», поділивши її на ключові
функціональні вузли та визначивши напрямки руху енергії й даних між
ними [8].
Структурна модель пристрою вимірювання гідрохімічних показників
води для екологічного моніторингу якості води наведена на рис. 3.22.
Відповідно до розробленої структурної моделі (рис. 3.22), архітектуру
пристрою було поділено на п’ять ключових взаємодіючих блоків, що наочно
відображають логіку руху енергії та інформаційних потоків.
Блок автономного живлення є енергетичним центром системи.
Первинним джерелом виступає літій-іонний (Li-ion) акумулятор. Для його
безпечної експлуатації та зручного відновлення заряду передбачено контролер
заряду та захисту, який отримує енергію через сучасний роз’єм Type-C USB.
Оскільки напруга акумулятора (номінально 3.7 В) поступово знижується в
процесі розряджання, на виході блоку встановлено підвищувальний DC-DC
перетворювач. Він формує стабільну магістраль живлення 5 В, яка розподіляє
енергію до центрального мікроконтролера та периферійних модулів [24].
На рис. 3.22 цей процес відображено лініями, що розгалужуються від
перетворювача до відповідних вузлів системи.
58

Рис. 3.22. Структурна модель пристрою вимірювання
гідрохімічних показників води
Мікроконтролер ESP-32-WROOM-32D виступає центральним
обчислювальним ядром пристрою. Він виконує роль головного диспетчера:
збирає первинні сигнали від сенсорів, математично їх опрацьовує та керує
процесом виведення готових результатів.
Блок збору аналогових сигналів об’єднує датчик pH та модуль TDS. Ці
перетворювачі генерують безперервну напругу, що пропорційна вимірюваним
хімічним показникам води. Тому інформаційні стрілки від них спрямовані
безпосередньо до мікроконтролера, де ці сигнали зчитуються та
оцифровуються.
Блок збору цифрових даних представлений датчиком температури. На
відміну від аналогових модулів, він спілкується з процесором цифровим
59
протоколом, передаючи вже готовий закодований результат вимірювання, що
також відображено відповідним вектором даних у напрямку до ESP32.
Блок відображення інформації та зв’язку є кінцевим споживачем
опрацьованих даних. Сюди мікроконтролер транслює результати вимірювань
двома паралельними шляхами: локально – на екран OLED-дисплея для
миттєвого візуального контролю користувачем, та бездротово – на хмарний
сервер для віддаленого моніторингу, побудови графіків й збереження
статистики [18].
Така блокова структура чітко розмежовує підсистеми живлення, збору
та відображення даних. Це демонструє модульність розроблюваного пристрою
та створює логічне підґрунтя для переходу до наступного етапу –
проєктування електрично принципової моделі.
3.7 Розробка електрично принципової моделі пристрою
вимірювання гідрохімічних показників води
На основі структурної моделі було розроблено електрично принципову
модель пристрою вимірювання гідрохімічних показників води (рис. 3.23), яка
визначає фізичні зв’язки між усіма компонентами системи. Головним
завданням при проєктуванні було забезпечення стабільного живлення
аналогових компонентів та узгодження рівнів логічних сигналів для захисту
мікроконтролера.
Система енергозабезпечення побудована на взаємодії трьох ключових
вузлів:
1. Зарядний пристрій та захист. Модуль на базі мікросхеми TP4056
забезпечує безпечне заряджання Li-ion акумулятора через вхід USB-C.
Використана плата з інтегрованим захистом від перерозряду, що автоматично
відключає навантаження, якщо напруга батареї впаде нижче критичної
межі [24].
2. Перетворення напруги. Оскільки pH-метр вимагає стабільних 5 В
для коректної роботи операційних підсилювачів, у схему включено DC-DC
перетворювач MT3608. Він підвищує напругу акумулятора до стабільного
60
рівня 5 В, від якого також живиться і сам мікроконтролер через вивід Vin [24].
3. Фільтрація завад. Для згладжування імпульсних шумів від
перетворювача та пікових навантажень Wi-Fi модуля, паралельно лінії
живлення встановлено електролітичний конденсатор ємністю 220 мкФ та
керамічний фільтр на 100 нФ [18].
Особлива увага приділена підключенню вимірювальних сенсорів до
АЦП мікроконтролера. Оскільки порти ESP32 розраховані на максимальну
напругу 3.3 В, а вихід модуля pH-4502C може видавати до 5 В, застосовано
резистивний дільник напруги (резистори 10 кОм та 20 кОм). Це дозволяє
лінійно масштабувати сигнал до безпечного діапазону [8]. На відміну від
нього, датчик TDS живиться безпосередньо від лінії 3.3 В, що дозволяє
передавати його дані на вхід IO35 без додаткового узгодження.

Рис. 3.23. Електрично принципова модель пристрою вимірювання
гідрохімічних показників води

61
Збір цифрових даних та виведення інформації реалізовано наступним
чином:
1. Термометрія. Датчик DS18B20 працює за протоколом 1-Wire. Для
стабільної передачі даних між лінією живлення та сигнальним виводом
встановлено підтягувальний резистор номіналом 4.7 кОм [18].
2. Індикація. OLED-дисплей підключається до шини I2C (піни IO21 та
IO22). Згідно з конструктивним рішенням, дисплей винесено на передню
панель корпусу та з’єднано з основною платою гнучким 4-піновим шлейфом.
3. Заземлення. Усі модулі об’єднані спільною шиною
заземлення (GND). Це критично важливо для уникнення «паразитних
наведень», які можуть спотворювати результати хімічного аналізу води [20].
Така конфігурація моделі розроблюваного пристрою забезпечує високу
точність вимірювань та надійність при тривалій автономній роботі. Наступним
кроком на основі цієї моделі виконується трасування друкованої плати та
монтаж компонентів у корпус.
3.8 Конструктивне виконання пристрою вимірювання
гідрохімічних показників води
Під час розробки конструкції пристрою основний акцент було зроблено
на портативності, зручності використання в польових умовах та надійності
захисту електроніки від вологи. Оскільки пристрій призначений для аналізу
води, його конструкція передбачає чіткий поділ на «суху» зону з електронікою
та зовнішні вимірювальні зонди.
Корпус пристрою планується виготовити методом 3D-друку з міцного та
хімічно стійкого пластику (наприклад, PETG або ABS). Це дозволяє
реалізувати складну внутрішню геометрію для кріплення всіх модулів [18]. На
передній панелі передбачено вікно для OLED-дисплея та отвори для кнопок
керування. На бічних та верхній гранях корпусу розташовані роз’єми для
підключення датчиків та порт USB-C для заряджання.
62
Внутрішнє компонування вузлів базується на спеціально розробленій
друкованій платі, 3D-модель якої представлена на рис. 3.24-3.26, з різних
ракурсів.

Рис. 3.24. 3D-модель друкованої плати пристрою (вид зліва)

Рис. 3.25. 3D-модель друкованої плати пристрою (знизу)

Рис. 3.26. 3D-модель друкованої плати пристрою (з правої сторони)
63
Розміщення елементів всередині корпусу виконано за багаторівневою
схемою для максимально раціонального використання простору.
1. Основна плата. Розташована в центрі корпусу на спеціальних
стійках. На її верхній стороні змонтовані всі функціональні модулі (ESP32,
модулі pH та TDS, підвищувальний перетворювач).
2. Система живлення. Тримач для акумулятора типу 18650 винесений
на зворотну (нижню) сторону плати. Це дозволило змістити центр ваги
пристрою вниз, зробивши його більш стійким у руці, а також ізолювати
батарею від нагріву інших компонентів [15].
3. Модуль індикації. Оскільки дисплей має бути закріплений
безпосередньо на лицьовій панелі корпусу, він не впаюється в плату жорстко,
а підключається за допомогою гнучкого чотиридротового шлейфа через
штирьові роз’єми. Це спрощує монтаж та захищає скло екрана від механічних
напружень.
Окрему увагу приділено ізоляції та підключенню датчиків. Оскільки
плати обробки сигналів pH та TDS чутливі до вологості, вони розміщені
всередині герметичного корпусу, а контакт із середовищем мають лише
виносні зонди [8]:
1. pH-електрод. Підключається через стандартний роз’єм BNC, що
винесений на верхню панель. Сам скляний електрод є повністю герметичним
й розрахований на тривале занурення у воду.
2. TDS-датчик та термозонд. Використовують герметичні роз’єми або
кабельні вводи. Датчик температури DS18B20 додатково захищений гільзою з
нержавіючої сталі, а місця виходу дротів загерметизовані епоксидною смолою
або термоусадкою з клейовим шаром
Для наочності розташування основних роз’ємів та елементів інтерфейсу
на зовнішній частині пристрою, їх перелік та призначення наведено у табл. 3.8.

64
Таблиця 3.8
Конструктивні елементи керування та підключення
Тип роз’єму/
Елемент Розміщення Призначення
деталі
підключення
Роз’єм pH BNC верхня панель
pH-електрода
GX12 (або підключення
Роз’єм TDS/T верхня панель
подібний) комбінованого зонда
заряджання
Порт зарядки USB Type-C бічна панель вбудованого
акумулятора
візуалізація
Дисплей OLED 0.96” передня панель результатів
вимірювань

Таке конструктивне виконання забезпечує не тільки захист електронних
компонентів від випадкових бризок води, але й дозволяє легко замінювати
датчики у разі їх виходу з ладу або для проведення калібрування [18].
65
4 РОЗРОБКА ПРОГРАМНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ПРИСТРОЮ
ВИМІРЮВАННЯ ГІДРОХІМІЧНИХ ПОКАЗНИКІВ ВОДИ
ТА ХМАРНА ІНТЕГРАЦІЯ
4.1 Розробка алгоритму роботи та програми управління для
мікроконтролера пристрою вимірювання гідрохімічних показників води
Для забезпечення високої точності та достовірності отриманих
результатів вимірювання гідрохімічних показників (pH, TDS, температура) у
програмному забезпеченні мікроконтролера ESP32 реалізовано дворівневу
систему обробки первинних даних.
Перший рівень відповідає за апаратну та цифрову фільтрацію
високочастотних шумів, які виникають через пульсації DC-DC
перетворювача MT3608 та наведення від вбудованої антени Wi-Fi.
Другий рівень реалізує математичні моделі температурної компенсації,
що коригують показники аналогових сенсорів залежно від поточного стану
досліджуваного середовища. Основою математичного апарату первинної
обробки сигналів обрано модифікований алгоритм ковзного середнього із
попереднім сортуванням вибірки та відкиданням екстремальних значень
(Outlier Rejection Moving Average) [20].
На відміну від класичного ковзного середнього, яке є чутливим до
поодиноких імпульсних завад (сплесків напруги на АЦП), запропонований
модифікований алгоритм повністю нівелює їхній вплив на фінальний
результат.
Математично цей процес можна описати так. Для кожного каналу
вимірювання формується масив даних розміром $N$ елементів (у даній роботі
прийнято N = 10). Після накопичення вибірки виконується її сортування за
зростанням методом «бульбашки» або швидким сортуванням (формула 4.1):
�������������� = {��1, ��2,1 … , ����} , (4.1)
де ��1 ≤ ��2 ≤ ⋯ ≤ ���� .
66
З отриманого відсортованого масиву відкидаються k мінімальних та
k максимальних значень (прийнято k = 2), які з найбільшою ймовірністю є
випадковими шумами.
Фінальне відфільтроване значення напруги – V (filter) обчислюється як
середнє арифметичне решти N – 2k елементів (формула 4.2):
1
�� ��−��
������������ = ∑��=��+1 ���� , (4.2)
��−2��
Цей підхід дозволяє отримати стабільне «гладке» значення напруги з
аналогових ліній pH-метра та TDS-метра. На основі отриманого значення
V (filter) здійснюється перерахунок у фізичні величини з одночасним
урахуванням даних цифрового датчика температури DS18B20.
Графічну схему розробленого алгоритму цифрової фільтрації та
первинної обробки гідрохімічних показників води наведено на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Блок-схема алгоритму цифрової фільтрації та первинної
обробки гідрохімічних показників води.
Детальний аналіз розробленого алгоритму функціонування системи
дозволяє виділити декілька ключових етапів обробки інформації, які
забезпечують відмовостійкість та точність роботи пристрою в автономному
режимі.
67
Процес починається з блоку ініціалізації периферійних інтерфейсів
мікроконтролера ESP32. На цьому етапі програмне забезпечення здійснює
конфігурацію АЦП, встановлюючи 12-бітну розрядність, що дозволяє
дискретизувати вхідну напругу на 4096 рівнів для досягнення високої
роздільної здатності вимірювань [18].
Паралельно запускається апаратна шина I2C на тактовій частоті 400 кГц
для взаємодії з локальним OLED-дисплеєм, та ініціалізується шина 1-Wire на
базі програмного таймера для опитування датчика температури DS18B20.
Завершальним кроком ініціалізації є підключення до бездротової мережі
Wi-Fi та автентифікація на віддаленому хмарному сервері Blynk IoT за
допомогою унікального зашифрованого ключа доступу [8].
Після успішного завершення конфігурації периферії програма
переходить до створення та виділення динамічної пам’яті під циклічні масиви
даних RawData розміром 10 елементів для кожного з аналогових
каналів (pH та TDS). Використання статично визначених буферів дозволяє
уникнути фрагментації оперативної пам’яті RAM мікроконтролера під час
тривалого безперервного моніторингу.
Основний робочий цикл програми loop() реалізує механізм
накопичення первинних вимірювань. Зчитування значень з відповідних пінів
АЦП відбувається з фіксованим інтервалом часу, який задається за допомогою
неблокуючих таймерів millis(), що запобігає зависанню інтерфейсу
користувача та забезпечує стабільну частоту опитування сенсорів.
Умова заповнення масивів є тригером для запуску математичного блоку
фільтрації. Доки кількість накопичених вимірювань менша за 10, система
перебуває у стані очікування, продовжуючи циклічне опитування. Як тільки
масив заповнюється повністю, викликається функція сортування методом
«бульбашки» (Bubble Sort). Сортування здійснюється за зростанням значень
напруги.
Наступний крок алгоритму передбачає відкидання крайових значень:
двох перших (найменших) та двох останніх (найбільших) елементів масиву.
68
Це критично важливо для усунення імпульсних завад, викликаних
комутаційними процесами у колі живлення або наведенням від антени Wi-Fi
модуля ESP32 у момент передачі пакету даних. Для решти шести елементів
обчислюється середнє арифметичне значення, яке приймається як стабільна
фільтрована напруга V (filter).
Для практичної реалізації запропонованого алгоритму було розроблено
програмне забезпечення мовою C++ у середовищі Arduino IDE. Код має
модульну структуру, що дозволяє легко тестувати кожен датчик окремо.
Етап 1. Ініціалізація системи. При подачі живлення мікроконтролер
перш за все налаштовує периферію. Призначаються піни для аналогових
датчиків, запускається шина I2C для дисплея та ініціалізується цифровий
протокол 1-Wire для датчика температури DS18B20.
Код конфігурації у функції setup():

#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>
#include <Wire.h>

#define PH_PIN 34
#define TDS_PIN 35
#define TEMP_PIN 4

OneWire oneWire(TEMP_PIN);
DallasTemperature sensors(&oneWire);

void setup() {
Serial.begin(115200)
analogReadResolution(12);
sensors.begin();
Wire.begin(21, 22);
initOLED();
}

У наведеному фрагменті коду підключаються необхідні бібліотеки для
роботи з периферією та визначаються константи для портів підключення
датчиків згідно з принциповою моделлю. У функції setup() встановлюється
швидкість передачі даних через послідовний порт та налаштовується
роздільна здатність аналого-цифрового перетворювача (12 біт для ESP32, що
69
дає діапазон значень від 0 до 4095). Також тут програмно запускаються
шина I2C для OLED-екрана та інтерфейс 1-Wire для температурного зонда.
Етап 2. Збір та математична фільтрація даних. Як було зазначено
раніше, аналогові сигнали з датчиків pH та TDS є дуже зашумленими. Щоб
отримати стабільні показання, мікроконтролер не просто зчитує одне
значення, а робить вибірку з 10 вимірів, сортує їх та відкидає пікові перешкоди
(найбільші та найменші значення). З решти вираховується середнє
арифметичне.
Програмна реалізація цього цифрового фільтра оформлена в окрему
функцію:

int getFilteredAnalog(int pin) {
int buffer[14];
int temp;

for(int i = 0; i < 10; i++) {
buffer[i] = analogRead(pin);
delay(10);
}

for(int i = 0; i < 9; i++) {
for(int j = i + 1; j < 10; j++) {
if(buffer[i] > buffer[j]) {
temp = buffer[i];
buffer[i] = buffer[j];
buffer[j] = temp;
}
}
}

long avgValue = 0;
for(int i = 2; i < 8; i++) {
avgValue += buffer[i];
}

return avgValue / 6;
}

Ця функція реалізує алгоритм фільтрації для усунення апаратних
імпульсних шумів. Спочатку мікроконтролер виконує серію з десяти
послідовних вимірювань із короткою затримкою, записуючи результати в
масив. Далі цей масив сортується за зростанням методом «бульбашки». На
70
фінальному етапі програма відкидає два найменших й два найбільших
значення, які найімовірніше є випадковими перешкодами, і вираховує середнє
арифметичне з шести центральних значень. Це гарантує стабільність
фінальних показань на екрані.
Етап 3. Мережева взаємодія без блокування системи. Особливістю
польового пристрою є те, що підключення до Wi-Fi може бути нестабільним.
Стандартні методи часто призводять до «зависання» мікроконтролера у
спробах знайти мережу. Тому розроблено алгоритм із тайм-аутом: пристрій
намагається підключитися рівно 10 секунд. Якщо мережі немає, він перериває
спроби та переходить до локального відображення даних на OLED-дисплеї.
Фрагмент коду, що відповідає за безпечне підключення:

void connectToWiFi() {
WiFi.begin("My_Network", "Password123");
Serial.print("Підключення до Wi-Fi...");

unsigned long startAttemptTime = millis();

while (WiFi.status() != WL_CONNECTED && millis() -
startAttemptTime < 10000) {
delay(500);
Serial.print(".");
}

if(WiFi.status() == WL_CONNECTED) {
Serial.println("\nУспішно підключено!");
} else {
Serial.println("\nПомилка підключення. Перехід у
локальний режим.");
WiFi.disconnect();
}
}

Цей фрагмент відповідає за встановлення мережевого з’єднання. Щоб
уникнути повного «зависання» пристрою у разі відсутності інтернету або
вимкнення роутера, замість стандартного нескінченного очікування
реалізовано механізм тайм-ауту за допомогою функції millis() [18].
Мікроконтролер намагається підключитися до заданої точки доступу рівно
10 секунд. Якщо за цей час з’єднання не встановлено, процес примусово
переривається, мікроконтролер припиняє спроби підключення й продовжує
71
працювати в автономному режимі, виводячи зібрані дані лише на локальний
дисплей.
Об’єднання цих програмних блоків у головному циклі дозволяє ESP32
циклічно прокидатися, отримувати відфільтровані дані, оновлювати екран та
за можливості відправляти результати на сервер. Використання функцій-
модулів робить код структурованим, що мінімізує помилки при подальшому
розширенні функціоналу розроблюваного пристрою.
4.2 Інтеграція з хмарним сервісом та налаштування віддаленого
моніторингу
Оскільки базовим завданням роботи є не лише локальне вимірювання, а
й подальше створення повноцінної системи екологічного моніторингу на базі
розроблюваного пристрою, наступним кроком стала організація передачі
даних у мережу Інтернет. Відображення показників виключно на OLED-
дисплеї підходить для швидкого калібрування або ручного огляду, але не
дозволяє відстежувати динаміку змін якості води у часі та оперативно
реагувати на критичні відхилення.
Під час вибору архітектури передачі даних проаналізовано декілька
популярних мережевих протоколів. Використання класичного HTTP-запиту
виявилося занадто «важким» для мікроконтролера: кожен запит вимагає
формування великих текстових заголовків, що марно витрачає оперативну
пам’ять ESP32 та заряд акумулятора [18]. Тому було прийнято рішення
використовувати протокол MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) або
його оптимізовані аналоги від готових IoT-платформ. Він працює за
принципом «видавець-підписник», має мінімальний розмір пакета й
спеціально розроблений для пристроїв з обмеженими ресурсами [20].
Як хмарний сервер для роботи обрано платформу Blynk IoT. Вона має
сучасний веб-інтерфейс, безкоштовний тарифний план для студентських робіт
та надає зручний мобільний додаток, що є великою перевагою для кінцевого
користувача [8].
72
Процес інтеграції апаратної частини з хмарою складається з наступних
кроків:
− реєстрація пристрою на платформі та отримання унікальних ключів
автентифікації (Template ID та Auth Token);
− створення віртуальних каналів передачі даних (Data Streams), які є
певними «містками» між фізичними датчиками та віджетами на екрані
смартфона;
− налаштування графічного інтерфейсу дашборду (вибір індикаторів,
графіків та встановлення критичних зон);
− написання програмної функції для періодичної відправки пакетів на
сервер.
Для реалізації останнього пункту до основного коду було додано
бібліотеку платформи та функцію відправки даних:

#define BLYNK_TEMPLATE_ID "TMPLxxxxxx"
#define BLYNK_DEVICE_NAME "Water Monitor"
#define BLYNK_AUTH_TOKEN "xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx"

#include <WiFi.h>
#include <WiFiClient.h>
#include <BlynkSimpleEsp32.h>

BlynkTimer timer;

void sendSensorData() {
Blynk.virtualWrite(V1, final_pH);
Blynk.virtualWrite(V2, final_TDS);
Blynk.virtualWrite(V3, final_Temp);
}

void setup() {
Blynk.config(BLYNK_AUTH_TOKEN);
timer.setInterval(60000L, sendSensorData);
}

void loop() {
Blynk.run();
timer.run();
}

73
У наведеному фрагменті на початку задаються унікальні
ідентифікатори, які хмарний сервер генерує індивідуально для
розроблюваного пристрою. Це гарантує, що дані потраплять саме до панелі
керування розроблюваного пристрою, а не до іншого користувача.
Особливої уваги заслуговує використання об’єкта BlynkTimer. Хмарні
сервери мають жорсткі ліміти на частоту вхідних запитів (зазвичай не
більше 1-2 повідомлень на секунду). Якби відправка даних знаходилася
безпосередньо у нескінченному циклі loop(), мікроконтролер почав би
спамити сервер тисячами пакетів, й пристрій був би миттєво заблокований за
DDOS-атаку. Тому в роботі використано програмний таймер: у
функції setup() вказується, що функція sendSensorData має викликатися
рівно один раз на 60000 мілісекунд (тобто раз на хвилину). Це ідеальний
інтервал, який дозволяє економити енергію, не перевантажує мережу й при
цьому забезпечує достатню актуальність даних про стан води [18].
Сама функція відправки використовує команди virtualWrite, які
записують відфільтровані змінні у віртуальні піни хмари:
− пін V1 відповідає за передачу значення рівня кислотності (pH);
− пін V2 приймає значення мінералізації (PPM);
− пін V3 відповідає за температуру рідини у градусах Цельсія.
На боці хмарного сервера ці віртуальні піни прив’язані до графічних
віджетів.
Для рівня pH та TDS налаштовано віджети типу «Gauge» (кругова
шкала) із зазначенням нормальних та критичних зон кольором (наприклад,
зелена зона для pH від 6.5 до 8.5).
Для температури використано віджет «SuperChart», який будує
безперервний графік. Це дозволяє користувачеві візуально оцінити, як
змінювалася температура води протягом дня або тижня [8].
Додатково на платформі було налаштовано систему тригерів: якщо
рівень TDS різко перевищує задану норму (наприклад, 500 PPM), платформа
74
автоматично надсилає Push-сповіщення на смартфон користувача про
потенційне забруднення води.
4.3 Розробка інтерфейсу користувача пристрою вимірювання
гідрохімічних показників води
Ефективна взаємодія користувача з вимірювальним пристроєм є одним
із найважливіших критеріїв успішності роботи. Оскільки розроблений
прототип належить до класу пристроїв Інтернету речей (IoT), система
індикації була концептуально розділена на два незалежні рівні: локальний
апаратний інтерфейс для роботи безпосередньо на місці забору води та
віддалений хмарний інтерфейс для довгострокового моніторингу й аналізу
даних [8].
Локальний інтерфейс на базі OLED-дисплея. Для забезпечення
автономної роботи пристрою в польових умовах, де може бути відсутнє
підключення до мережі Інтернет або смартфона, було розроблено локальний
інформаційний екран. Апаратною базою для нього став монохромний OLED-
дисплей з діагоналлю 0.96 дюйма та роздільною здатністю 128 х 64 пікселі.
Вибір саме цієї технології зумовлений відсутністю потреби в активній
підсвітці фону, що суттєво економить заряд літій-іонного акумулятора, а
також забезпечує високу контрастність тексту навіть під прямими сонячними
променями [18].
Програмна логіка виведення інформації на локальний дисплей
побудована за принципом мінімалізму та максимальної інформативності.
Екранний простір логічно поділено на кілька зон:
1. Верхній колонтитул відображає поточний статус системи та стан
підключення. Тут виводиться інформація про наявність з’єднання з
мережею Wi-Fi (наприклад, «WiFi: OK» або «WiFi: Офлайн»).
2. Центральна зона відведена під найважливіші хімічні показники.
Значення рівня кислотності (pH) виводиться великим шрифтом із точністю до
двох знаків після коми, оскільки навіть десяті частки відіграють критичну роль
75
в оцінці якості води. Нижче розташовується показник загальної
мінералізації (TDS) у форматі цілих чисел (PPM).
3. Нижній колонтитул використовується для відображення
температури рідини, яка є необхідним параметром для розуміння контексту
інших вимірювань.
Програмна реалізація інтерфейсу передбачає динамічне оновлення
даних кожного циклу вимірювання (кожні декілька секунд) без повного
очищення екрана, що дозволяє уникнути неприємного візуального
«миготіння».
Зовнішній вигляд розробленого локального інтерфейсу представлено
на рис. 4.1.

Рис. 4.4.2. Інтерфейс локального OLED-дисплея в робочому режимі
Віддалений інтерфейс мобільного додатка. Локальний дисплей є
зручним для миттєвої оцінки, але він не дозволяє зберігати історію
вимірювань. Для вирішення цього завдання було розроблено віддалений
користувацький інтерфейс на базі мобільного додатка хмарної
платформи Blynk [8].
Процес проєктування мобільного дашборду (панелі керування) вимагав
правильного підбору графічних віджетів, які б найточніше відображали суть
отриманих фізичних величин [20]. В роботі реалізовано наступну структуру
мобільного інтерфейсу:
1. Індикатори поточного стану (Gauges). Для показників pH та TDS
використані кругові шкали. Вони не лише показують сухі цифри, але й мають
76
візуальне кольорове зонування. Наприклад, шкала pH має зелену зону в
межах 6.5-8.5 (норма для питної води), а зони нижче та вище цих значень
підсвічуються червоним кольором, що інтуїтивно сигналізує користувачеві
про небезпеку.
2. Історичний графік (SuperChart). Найбільш потужний інструмент
аналітики в додатку. Цей віджет налаштовано на отримання даних із
віртуального піна температури та TDS. Він будує безперервну криву змін у
часі. Завдяки цьому користувач може переглянути динаміку якості води за
останню годину, день, тиждень або місяць, що є критично важливим для
екологічного моніторингу водойм чи акваріумів.
3. Система сповіщень (Notifications). Інтерфейс не вимагає від
користувача постійно дивитися в екран смартфона. У фоновому режимі
працює тригер: якщо показник забруднення води (TDS) різко зростає й
перетинає задану межу, додаток автоматично генерує та надсилає спливаюче
Push-сповіщення на пристрій користувача.
Структуру мобільного дашборду показано на рис. 4.2.

Рис. 4.4.3. Інтерфейс мобільного додатка на етапі конфігурування віджетів
77
Такий комбінований підхід до проєктування інтерфейсу забезпечує
гнучкість системи. Користувач отримує миттєвий доступ до даних
безпосередньо біля водойми через OLED-екран, а також має потужний
аналітичний інструмент у своїй кишені, доступний з будь-якої точки світу [8].

78
ВИСНОВКИ
Результатом даної кваліфікаційної роботи бакалавра є розробка
пристрою вимірювання гідрохімічних показників води, що забезпечує
автономність, мобільність вимірювання ключових гідрохімічних показників
води, можливість цифрової обробки результатів та передачу даних через
бездротові інтерфейси.
В результаті роботи над розробкою пристрою вимірювання
гідрохімічних показників води виконано наступне:
− проаналізовано основні гідрохімічні показники якості води та
методи для їх інструментального вимірювання;
− проведено огляд існуючих засобів вимірювання гідрохімічних
показників води на ринку;
− розроблено структурну та електрично принципову моделі пристрою
вимірювання гідрохімічних показників води;
− обґрунтовано та обрано компоненти пристрою вимірювання
гідрохімічних показників води;
− розроблено програмне забезпечення для збору даних, фільтрації
шумів та програмної реалізації термокомпенсації вимірювань;
− розроблено алгоритм роботи мікроконтролера пристрою
вимірювання гідрохімічних показників води та виконано його інтеграцію з
хмарним середовищем.
В результаті роботи успішно проведено комплексне дослідження та
реалізовано повний цикл розробки портативного пристрою вимірювання
гідрохімічних показників води для екологічного моніторингу якості води на
базі сучасного мікроконтролера ESP32. Усі поставлені на початку
проєктування завдання були виконані в повному обсязі, що дозволило
створити функціональний, надійний та економічно доцільний інструмент для
гідрохімічного аналізу.
На початковому етапі дослідження було глибоко вивчено фізико-хімічну
природу основних показників якості води та детально проаналізовано сучасні
79
методи їх інструментального вимірювання. Було встановлено, що для
оперативного та комплексного контролю безпеки водного середовища
найбільш показовими є три параметри: рівень кислотності (pH), загальна
мінералізація (TDS) та температура рідини. В результаті аналізу фізичних
принципів роботи датчиків було теоретично та практично обґрунтовано
використання потенціометричного методу для визначення рівня pH та
кондуктометричного методу для оцінки загального вмісту розчинених солей.
Паралельно було проведено розгорнутий аналітичний огляд існуючих
технічних рішень та засобів екологічного моніторингу якості води. Цей аналіз
показав, що на ринку домінують або вузькоспеціалізовані й дуже дорогі
промислові станції, або дешеві ручні тестери, позбавлені функцій
автоматичного збереження даних. Це підтвердило актуальність розробки
доступного за ціною пристрою Інтернету речей (IoT), який би поєднував
точність професійного обладнання з мобільністю та зручністю хмарних
технологій.
Спираючись на результати теоретичних досліджень та аналіз ринку,
було обґрунтовано вибір структурної моделі пристрою та його оптимальної
компонентної бази. В якості центрального обчислювального модуля було
обрано мікроконтролер ESP32, оскільки він забезпечує необхідну
продуктивність, має велику кількість аналогово-цифрових перетворювачів, а
також інтегровані модулі бездротового зв’язку Wi-Fi та Bluetooth при
порівняно низькому енергоспоживанні. Для забезпечення повної автономності
роботи пристрою в польових умовах було спроєктовано систему живлення на
базі сучасного літій-іонного акумулятора стандарту 18650. Ця енергетична
підсистема включає в себе контролер заряду з апаратними функціями захисту
від короткого замикання та глибокого розряду, а також
підвищувальний DC-DC перетворювач, який гарантує стабільну вихідну
напругу, критично необхідну для коректної роботи аналогових операційних
підсилювачів. На основі обраних компонентів було спроєктовано детальну
електрично принципову модель пристрою. Вона побудована з урахуванням
80
мінімізації електричних завад й гарантує надійну роботу всіх периферійних
інтерфейсів, зокрема шини I2C для локального дисплея та протоколу 1-Wire
для температурного зонда.
Окрему увагу, в межах роботи приділено розробці програмної складової.
Було розроблено ефективне алгоритмічне забезпечення для збору аналогових
та цифрових даних із сенсорів, їх математичної обробки та надійної
програмної фільтрації шумів. Застосування алгоритму цифрового фільтра на
основі модифікованого ковзного середнього із відкиданням екстремальних
значень дозволило майже повністю усунути вплив імпульсних апаратних
завад на фінальні результати. Крім того, вагомим досягненням стала
програмна реалізація алгоритму термокомпенсації, який автоматично коригує
показання pH-метра залежно від поточної температури рідини, що в рази
підвищило точність вимірювань у нестандартних кліматичних умовах.
Для забезпечення відповідності пристрою концепції сучасних розумних
пристроїв було розроблено глобальний алгоритм роботи мікроконтролера та
успішно реалізовано його інтеграцію з хмарним середовищем Blynk IoT.
Створена архітектура програмного забезпечення передбачає механізми
неблокуючого підключення до бездротової мережі та енергоефективну
циклічну передачу сформованих пакетів даних на віддалений сервер.
Розроблений графічний інтерфейс для мобільного додатка надає
користувачеві розширені можливості: відстежувати стан води у реальному
часі з будь-якої точки світу, миттєво отримувати автоматичні Push-сповіщення
у разі фіксації критичного рівня забруднення, а також візуалізувати архівні
дані у вигляді інтерактивних графіків для подальшого аналізу динаміки змін.
Підсумовуючи результати проведеної роботи, можна впевнено
стверджувати, що розроблений пристрій є повністю функціональним,
завершеним інженерним рішенням. Він демонструє високу стабільність
роботи, достатню достовірність вимірювальних даних та інтуїтивну
зрозумілість в експлуатації. Завдяки раціональному використанню елементної
бази та оптимізованому програмному коду, собівартість пристрою виявилася
81
значно нижчою за наявні комерційні аналоги з відповідним функціоналом.
Розроблений пристрій має високу практичну цінність й може бути ефективно
впроваджений для екологічного моніторингу природних водойм, контролю
якості питної води та систем фільтрації в комунальних підприємствах,
приватних домогосподарствах, а також у спеціалізованих галузях, таких як
акваріумістика та теплична гідропоніка.
Перспективи подальшого розвитку вбачаються у розробці герметичного
промислового корпусу та додаванні нових модулів для аналізу каламутності й
концентрації розчиненого у воді кисню.
82
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Хільчевський В. К., Осадчий В. І., Курило С. М. Регіональна
гідрохімія України. Київ : ВПЦ «Київський університет», 2019. 343 с.
2. Контроль якості природних вод : навч. посіб. / О. В. Савченко та ін.
Харків : ХНУ ім. В. Н. Каразіна, 2019. 156 с.
3. Осадчий В. І. Методи контролю якості води: сучасний стан та
перспективи. Київ : Наукова думка, 2018. 210 с.
4. McMillan G. K. pH Measurement and Control. 3rd ed. ISA, 2017. 250 p.
5. Водний кодекс України : Закон України від 06.06.1995 № 213/95-
ВР. Дата оновлення: 01.01.2024. URL:
https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/213/95-вр.
6. ДСанПіН 2.2.4-171-10. Гігієнічні вимоги до води питної,
призначеної для споживання людиною : Державні санітарні норми та правила.
Київ : МОЗ України, 2010. (Зі змінами та доповненнями від 2022 р.).
7. Guidelines for drinking-water quality: 4th ed. incorporating the 1st
addendum. Geneva : World Health Organization, 2017. 631 p.
8. Мельник А. О., Ковальчук О. М. Гідрохімічний моніторинг водойм
з використанням бездротових сенсорних мереж. Науковий вісник НЛТУ
України. 2022. Т. 32, № 4. С. 95-101.
9. Kumar A., Singh S. Designing IoT-Based Water Quality Monitoring
Systems Using ESP32 : A Review. International Journal of Computer Applications.
2023. Vol. 185, No. 14. P. 22-29.
10. Глибовець М. М. Основи Інтернету речей (IoT). Київ : Видавничий
дім «Києво-Могилянська академія», 2020. 342 с.
11. IEEE Standard for Internet of Things (IoT) System Architecture. IEEE
Standards Association. 2020. 85 p.
12. Цифрова обробка сигналів : практич. посіб. / за ред. С. В. Сміта.
Київ : Техніка, 2018. 412 с.
83
13. Ray P. P. A survey on Internet of Things architectures. Journal of King
Saud University – Computer and Information Sciences. 2018. Vol. 30, Iss. 3. P. 291-
319.
14. Харченко В. С. Інтернет речей: технології, протоколи,
застосування. Харків : НАКУ «ХАІ», 2019. 315 с.
15. Santos R., Santos S. ESP32 with Arduino IDE. Random Nerd Tutorials,
2020. URL: https://randomnerdtutorials.com/projects-esp32/.
16. MQTT Version 5.0. OASIS Standard. 2019. URL: https://mqtt.org/.
17. Мак-Робертс М. Arduino: від азів до створення практичних
пристроїв ; пер. з англ. Київ : КІС, 2019. 480 с.
18. Омельченко О. В. Методи цифрової фільтрації сигналів у
вимірювальних системах IoT. Вісник НТУУ «КПІ». Серія Приладобудування.
2020. Вип. 59. С. 45-52.
19. Дорожовець М. М. Опрацювання результатів вимірювань : навч.
посіб. Львів : Видавництво Львівської політехніки, 2020. 224 с.
20. Квасніков В. П., Квасніков К. В. Методи та засоби цифрової
фільтрації сигналів у мікроконтролерних системах екологічного моніторингу.
Вчені записки Таврійського національного університету
ім. В. І. Вернадського. Серія: Технічні науки. 2022. Т. 33 (72), № 2. С. 45-51.
21. Analog TDS Sensor / Meter for Arduino. DFRobot Documentation.
URL:
https://wiki.dfrobot.com/Gravity__Analog_TDS_Sensor___Meter_Fo_Arduino_S
KU__SEN0244.
22. ESP32 Technical Reference Manual. Espressif Systems. 2023. 782 p.
URL: https://www.espressif.com/sites/default/files/documentation/esp32_tech
nical_reference_manual_en.pdf.
23. Gravity: Analog pH Sensor / Meter Kit V2. DFRobot Wiki. URL:
https://wiki.dfrobot.com/Gravity__Analog_pH_Sensor_Meter_Kit_V2_SKU_SEN
0161-V2.
24. Kolban N. Kolban’s Book on ESP32. Leanpub, 2018. 998 p.
84
25. Yiu N. Internet of Things: Concepts and Applications. Springer, 2021.
300 p.
26. Бабич В. М., Кочан Р. В. Особливості застосування
мікроконтролерів ESP32 в кіберфізичних системах екологічного контролю.
Вісник Національного університету «Львівська політехніка». Серія:
Комп’ютерні системи та мережі. 2021. № 5. С. 12-18.
27. Arduino Core for ESP32 Wi-Fi Chip. GitHub. URL:
https://github.com/espressif/arduino-esp32
28. Blynk IoT Platform Documentation. Blynk. URL: https://docs.blynk.io.
29. C++ Reference. URL: https://en.cppreference.com/.
30. Dallas Temperature Control Library for Arduino. GitHub. URL:
https://github.com/milesburton/Arduino-Temperature-Control-Library.
31. DS18B20 Programmable Resolution 1-Wire Digital Thermometer.
Maxim Integrated Datasheet. 2019. 22 p.
32. Ковалюк Т. В. Основи програмування мікроконтролерів мовою
C/C++. Львів : Новий Світ-2000, 2021. 288 с.
85

ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets