Design of an Arduino-Based Water Analysis System Prototype for Regional Water Quality Research

Öz

Water is vital for living organisms to survive, but its structure is gradually deteriorating due to increasing pollution. It is known that water quality is decreasing; therefore, it becomes necessary to examine water resources by taking into account many factors and taking necessary precautions accordingly. Unmanned underwater vehicles make it possible to carry out applications beneficial to human life in many areas, such as protecting natural resources, monitoring the environment, conducting search and rescue operations, and taking underwater samples. Within the scope of this study, it is aimed to develop a system that will be used in the research and control of water pollution that allows instantaneous analysis of water quality by obtaining the amount of dissolved oxygen levels in water, temperature, and pressure data, and then transferring these data. The developed Arduino-based system contains different sensors that enable water analysis. In addition, through the system software, the data received from the sensors and processed are transferred to the system interface to access simultaneous data, and if a value outside the normal range is detected from the sensors, the system gives a warning. For this purpose, the system design has been made by first determining the materials required for the system. Subsequently, appropriate libraries for the system software have been identified, the system software has been developed, and the interface from which the data would be received has been designed. It is planned that the system prototype produced through the application will be integrated into unmanned underwater vehicles and used in water resources such as water purification systems, fish farms, marine research, and to contribute to sustainable living.

Anahtar Kelimeler

• Unmanned underwater vehicles
• water analysis
• water quality
• water pollution

Bölgesel Su Kalitesi Araştırmaları için Arduino Tabanlı Bir Su Analizi Sistemi Prototipinin Tasarımı

Öz

Su, canlıların yaşamlarını devam ettirebilmesi için hayati önem taşımakta ancak artan kirlilik unsurları nedeniyle yapısı giderek bozulmaktadır. Su kalitesinin azaldığı bilinmektedir, bu sebeple su kaynaklarının birçok faktör dikkate alınarak incelenmesi ve buna bağlı olarak gerekli tedbirlerin alınması zorunlu hale gelmektedir. İnsansız su altı araçları, doğal kaynakların korunması, çevrenin denetlenmesi, arama kurtarma çalışması yapılması, su altından numune alınması gibi birçok alanda insan yaşamına yararlı uygulamalar yapılmasını mümkün kılmaktadır. Bu çalışma kapsamında, su kirliliğinin araştırılması ve denetlenmesinde kullanılacak, sudaki çözünmüş oksijen seviyesi, sıcaklık ve basınç verilerini alıp daha sonra bu verileri aktararak su kalitesini anlık olarak analiz edilmesini sağlayan bir sistem geliştirilmesi hedeflenmektedir. Geliştirilen Arduino tabanlı sistem, içerisinde suyun analizinin yapılmasını sağlayan farklı sensörler barındırmaktadır. Ayrıca sistem yazılımı sayesinde sensörlerden alınıp işlenen veriler sistem arayüzüne aktarılarak eşzamanlı verilere ulaşılmakta ve sensörlerden normal aralığın dışında bir değer tespit edilmesi halinde sistem uyarı vermektedir. Bu amaçla, öncelikle sistem için gerekli malzemeler tespit edilerek sistem tasarımı yapılmıştır. Daha sonra, sistem yazılımı için uygun kütüphaneler tespit edilerek sistem yazılımı geliştirilmiş ve verilerin alınacağı arayüz tasarımı gerçekleştirilmiştir. Yapılan uygulama sayesinde üretilen sistem prototipinin insansız su altı araçlarına entegre edilerek su arıtma sistemleri, balık çiftlikleri, deniz araştırmaları gibi su kaynaklarında kullanılması ve sürdürülebilir yaşama katkı sunulması düşünülmektedir.

Anahtar Kelimeler

• İnsansız su altı araçları
• su analizi
• su kalitesi
• su kirliliği

Kaynakça

1. Zulkifli CZ, Garfan S, Talal M, Alamoodi AH, Alamleh A, Ahmaro IYY, Sulaiman S, Ibrahim AB, Zaidan BB, Ismail AR, Albahri OS, Albahri AS, Soon CF, Harun NH, Chiang HH. IoT-Based Water Monitoring Systems: A Systematic Review. Water, 2022; 14: 3621.
2. Gunia M, Laine M, Malve O, Kallio K, Kervinen M, Anttila S, Kotamaki N, Siivola E, Kettunen J, Kauranne T. Data Fusion System for Monitoring Water Quality: Application to Chlorophyll-A in Baltic Sea Coast. Environmental Modelling & Software, September 2022; 155: 105465.
3. Liu Q. Intelligent Water Quality Monitoring System Based on Multi-Sensor Data Fusion Technology. International Journal of Ambient Computing and Intelligence (IJACI), 2021; 12(4): 21.
4. Zhu M, Wang J, Yang X, Zhang Y, Zhang L, Ren H, Wu B, Ye L. A Review of the Application of Machine Learning in Water Quality Evaluation. Eco-Environment & Health, June 2022; 1(2): 107-116.
5. Sun X, Zhang Y, Shi K, Zhang Y, Li N, Wang W, Huang X, Qin B. Monitoring Water Quality Using Proximal Remote Sensing Technology. Science of The Total Environment, 10 January 2022; 80: 149805.
6. Terzioğlu S. ,Bahadır Koca S, Didinen B, Yiğit Ö. Sürdürülebilir Su Ürünleri Yetiştiriciliğinde Çevre Dostu Üretim, Ankara Üniversitesi Çevrebilimleri Dergisi, 2011; 3(1).
7. Canlı A, Kurtoğlu İ, Canlı M, Tuna Ö. Dünyada ve Ülkemizde İnsansız Sualtı Araçları (İSAA-AUV & ROV) Tasarım ve Uygulamaları, GİDP Dergisi, 2016; 4: 43-75.
8. Selamoğlu ÇH, Aytan ÜK. Mikroplastiklerin Deniz Çevresinde Neden Olduğu Etkiler. Doğanın Sesi, 2020; (6): 44-56.

9. Özünlü C. Su Yönetimi, Dora Yayınevi, 2016; Bursa, 1. Baskı: 70-76.
10. Güven KC, Öztürk B. Deniz Kirliliği. İstanbul, Türkiye, TÜDAV Yayınları No: 21, 2005.
11. Yılmaz S. Yakut M, İnce S, Otçu M, Aygün E. Derinlik ve Yön Kontrol Uygulamaları için Su Altı Aracı Tasarımı, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 2015; Part C, 3(1): 343-355.
12. Zeydan Ö, Özdoğan N, Taştepe Ş, Demirtaş D. Kozlu Deresinde (Zonguldak) Su Kalitesinin İncelenmesi. Doğal Afetler ve Çevre Dergisi 2019; 187-197.
13. Yılmaz S, Kılcı SB. Otonom Sualtı Araçlarında Genel Tasarım İlkeleri, Journal of the Institute of Science and Technology, 2021.
14. Vasilijevic A, Borovic B, Vukic Z. Underwater Vehicle Localization with Complementary Filter: Performance Analysis in the Shallow Water Environment. J Intell Robot Syst 2012; 373–386.
15. Manoj M, Dhilip Kumar V, Arif M, Bulai E-R, Bulai P, Geman O. State of the Art Techniques for Water Quality Monitoring Systems for Fish Ponds Using IoT and Underwater Sensors: A Review. Sensors 2022; 6: 2088.
16. Shuo J, Yonghui Z, Wen R, Kebin M. The Unmanned Autonomous Cruise Ship for Water Quality Monitoring and Sampling. 2017 International Conference on Computer Systems, Electronics and Control (ICCSEC) , Dalian, China, 2017; 700-703.
17. Hamid SA, Rahim AMA, Fadhlullah SY, Abdullah S, Muhammad Z, Leh NAM. IoT based Water Quality Monitoring System and Evaluation. 2020 10th IEEE International Conference on Control System. Computing and Engineering (ICCSCE), Penang, Malezya, 2020; 102-106.
18. Kai C, Weiwei Z, Lu D. Research on Mobile Water Quality Monitoring System Based on Underwater Bionic Robot Fish Platform, 2020 IEEE International Conference on Advances in Electrical Engineering and Computer Applications( AEECA), Dalian, Çin, 2020; 457-461.
19. Pokhrel S, Pant A, Gautam R, Kshatri DB. Water Quality Monitoring System Using IoT. Journal of Innovations in Engineering Education 2020; 3(1): 155-164.
20. Pasika S, Gandla ST. Smart Water Quality Monitoring System with Cost-Effective Using IoT. Heliyon 2020; 6-7.
21. Moparthi NR, Mukesh C, Sagar PV. Water Quality Monitoring System Using IOT, 2018 Fourth International Conference on Advances in Electrical, Electronics, Information, Communication and Bio-Informatics (AEEICB), Chennai, India, 2018; 1-5.
22. Madhavireddy V, Koteswarrao B. Smart Water Quality Monitoring System Using IoT Technology. Int. J. Eng. Technol 2018; 7 (4.36): 636-639.
23. Sung WT, Isa IGT, Hsiao SJ. Designing Aquaculture Monitoring System Based on Data Fusion through Deep Reinforcement Learning (DRL), Electronics, 2023; 12 (2032).
24. Oruç İN, Tilki U, Otonom Sualtı Aracı Yörünge Izleme Kontrol Algoritmalarının Analizleri, Pamukkale Universitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi. 2023; 29(2): 131-145.
25. Anonim, Çevre ve Şehircilik Bakanlığı, Türkiye Çevre Sorunları ve Öncelikleri Değerlendirme Raporu, 2019; Yayın no: 43, Ankara.
26. Kayhan F. E, Ertuğ N. D. Y. Müsilaj Sorunu ve Karakterizasyonu. Doğanın Sesi Dergisi, Haziran 2022; 5 (9): 4-16.
27. Toroğlu E, Toroğlu S, Alaeddinoğlu F. Aksu Çayında (Kahramanmaraş) akarsu kirliliği, Coğrafi Bilimler Dergisi, 2006; 4 (1): 93- 103.
28. Hacioglu N, Dulger B. Monthly Variation of Some Physico-Chemical and Microbiological Parameters in Biga Stream (Biga, Canakkale, Turkey), African Journal of Biotechnology, 2009; 8(9): 1929-1937.
29. Anonim, Ankara Üniversitesi Açık Ders Malzemeleri, Çevre Kirliliği, 1998; Bölüm 5, 111-112.
30. Çelikkale MS, Düzgüneş E, Okumuş İ. Fisheries Sector in Turkey: Potential, Current State, Constraints and Recommendations (in Turkish), İstanbul Ticaret Odası, 1999; 414, Lebib A.S., İstanbul.
31. Yanık T, Aras NM, Çiltaş AK. Su Kalitesine Giriş Ders Notları, Atatürk Üniversitesi Ziraat Fakültesi Su Ürünleri Mühendisliği, 2001; Erzurum.