Su kalitesi takibi için kablosuz sensör ağları ve sistem tasarımı
Wireless sensor networks for water quality and designing a novel system
Yazar: İSMAİL AĞIR
Danışman: PROF. DR. İBRAHİM IŞILDAK
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı / Biyomühendislik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering
Dizin: Açık kaynaklı yazılım = Open source software ; Bilgisayar destekli yazılım = Computer aided software ; Bilgisayar yazılımları = Computer softwares ; Elektronik haberleşme = Electronic communication ; Kimyasal sensör = Chemical sensor ; Nesnelerin interneti = Internet of things ; Uygulama yazılımı = Application software

Özet:
Sahip olduğumuz doğal kaynaklar sınırsız değildir. Sanayi ve tarım faaliyetlerinin artması ve şehirlerin hızla büyüyüp daha geniş alanlara yayılması neticesinde, doğal kaynakların hızlı bir şekilde kirlenmesi, günümüzde karşılaştığımız en büyük sorunlardandır. Çevre ve yaşamın temellerinden olan su ve bu suyun temizliği (çeşitli kimyasal ve fiziksel değişkenlerin standartlarını ifade eden haliyle; kalitesi) tüm insanlık için hayati öneme sahiptir. 
Tez çalışmamızda, günlük hayatta kullandığımız su kaynaklarının takibine ve korunmasına yönelik bir sistem geliştirilmesi hedeflenmiştir. Tez çalışması kapsamında üretilen sistem, su kalitesi tanımında yer alan kimyasal ve fiziksel su kalitesi parametrelerini 7 gün 24 saat boyunca sürekli takip edebilen bir altyapıya sahiptir. Bu amaçla çalışmada, elektrokimyasal sensör teknolojilerine uygun bir kablosuz sensör ağları temelli platform geliştirilmiştir.
Tezimizde iyon seçici elektrotlar başta olmak üzere, çeşitli türden sensörler ile su kalitesi parametrelerinin takibini online olarak yapabilen sensör düğümlerinden oluşan, esnek yapılı ve kolay kurulumlu bir platform geliştirilmiştir. Platform, kendisini oluşturan ve tarafımızdan geliştirilen yazılım ve donanımların uyumu sayesinde hem kablosuz sensör ağı hem de nesnelerin interneti konseptini uygulayabilme yeteneğine sahiptir.
Tez kapsamında geliştirdiğimiz platformu denemek için, su kalitesini tehdit eden tarım ve endüstri kaynaklı kirleticilerden yaygın olan bazı analitlerin takibi sağlanmıştır. Bunlar sudaki nitrat, amonyum ve potasyum iyonları derişimleri ile pH değeridir. Bu kirleticiler, temiz su kaynakları çevresinde yürütülen tarımsal gübreleme veya fabrika süreçleri gibi faaliyetlerin sonucunda suya karışması muhtemel olan kontaminantlardır. Bu kirleticilerin erken ve hızlı tespiti sayesinde ekosistemin bozulması ve kirletici etkisinin çevreye yayılmasının önüne geçilebilecektir. Tezde üretilen sistem, bu kirleticiler için alarm seviyelerine göre rapor oluşturma ve yetkili uzmanları iletişim kanallarıyla anında bilgilendirme özelliğine de sahiptir.
Tez çalışmamız sonucunda Wi-Fi temelli, düşük güç tüketen, sensör niceliği ve niteliği yönünden esnek sensör düğümlerine sahip, kendisine bağlı veya bağlanmaya hazır tüm düğümleri tanıyabilen bir ağa sahip, düşük maliyetli ve gelecek çalışmalar için gerekli olacak donanım ve yazılım alt yapısını sunan bir platform, başarıyla üretilmiş ve test edilmiştir.

Abstract:
The natural resources we have are not unlimited. As a result of the increase in industrial and agricultural activities and the rapid growth of cities and spread to wider areas, the rapid pollution of natural resources is one of the biggest problems we face today. Water, which is indispensable for the environment and life, and its cleanliness (as it expresses the standards of various chemical and physical variables; its quality) is of vital importance for all humanity.
In our thesis, it is aimed to develop a system for tracking and protecting the water resources we use in daily life. The system, produced within the scope of the thesis, has an infrastructure that can continuously monitor the chemical and physical water quality parameters included in the definition of water quality 24 hours a day, 7 days a week. For this purpose, in this study, a wireless sensor networks based platform has been developed suitable for electrochemical sensor technologies.
In our thesis, a flexible structured and easy-to-install platform has been developed, consisting of sensor nodes that can monitor water quality parameters online with various types of sensors, especially ion-selective electrodes. The platform has the ability to implement both the wireless sensor network and the internet of things concept, thanks to the compatibility of software and hardware developed by us.
In order to test the platform we developed within the scope of the thesis, some common analytes from agriculture and industry originated pollutants that threaten water quality have been monitored. These are the concentrations of nitrate, ammonium and potassium ions and the pH value in the water. These pollutants are contaminants that are likely to enter water as a result of activities such as agricultural fertilization or factory processes carried out around clean water sources. Thanks to the early and rapid detection of these pollutants, it will be possible to prevent the deterioration of the ecosystem and the spread of the polluting effect to the environment. The system produced in the thesis also has the feature of generating reports for these pollutants according to alarm levels and informing authorized experts instantly through communication channels.
As a result of our thesis, a Wi-Fi-based, low-power platform has been successfully produced and tested. The sensor nodes were flexible in terms of quantity and quality of the sensors. It had a network that could recognize all the nodes attached to it or ready to connect. It was low cost. It also had the necessary hardware and software capacity for future studies.