水質變化能提早發現嗎？阿明博士從 Smart Water Guardian AI 談感測器選型與異常監看

魚缸補水後數值變了，是正常稀釋，還是感測器出了問題？水耕槽的 pH 慢慢偏移，要多久才需要處理？水質監測最有價值的地方，是讓人看見變化、追查原因，並在需要時收到有依據的提醒。阿明博士這次從一個開源專案出發，討論如何選感測器，以及怎麼把讀值變成可用的資訊。

從得獎專案看方向：先量測，再辨識異常

Arduino 於 2026/10/29 介紹競賽得獎作品 Smart Water Guardian AI，作者為 KOCHONI Biaou David Barthélémy；專案頁原始發布日是 9/5。它以 UNO Q 收集 pH、TDS、濁度與水溫，結合固定門檻及本地異常偵測，提供儀表板與現場提醒。近期消息是得獎介紹，並非整個專案在 10/29 才首次釋出。Arduino 官方介紹、作者專案與程式資源。

作者也交代了限制：濁度尚未完成絕對 NTU 校正，最終異常模型使用 pH、TDS 與溫度，濁度另以門檻處理。這個差異值得保留：畫面有四個讀值，不代表四個都進了同一個模型，更不代表已完成全面水質檢驗。

先選要回答的問題，才知道哪些探頭有用

例如水耕系統常需要先掌握 pH 與導電度；若要按作物配方管理營養液，應評估符合工作範圍的 EC 量測，而不是看到 TDS 數字就當成所有養分濃度。魚缸或養殖池若要判斷缺氧，則須另評估溶氧量測；上述四項不會直接量出溶氧、氨氮或亞硝酸鹽。

同樣地，清澈、低 TDS 或接近中性的水，都不能單獨證明適合飲用。飲用水還涉及微生物及個別化學污染物等項目；本文討論的是變化監看與工程選型。EPA 水中污染物與檢測項目資料可用來理解為何單一總量指標不足以代表全部水質，並非拿美國數值當台灣現場的法定驗收門檻。

水溫與 pH：一個容易起步，一個需要維護

入門記錄可以先從不鏽鋼封裝 DS18B20 水溫探頭這類數位探頭評估，讓讀者先建立時間戳與曲線。選購要看線長、封裝、接頭、實際水體與接液材料相容性。晶片的溫度範圍，不等於整組線材、密封與接頭都能在同一條件下長期使用；「防水」也不等於食品接觸或任意深度耐壓。

OneWire 介面仍須按主控電壓、供電方式與線路長度配置上拉與佈線。接頭型式相同不代表腳位相同，應依到貨線序確認。若資料要作為補償依據，還要確定溫度來自同一代表性水樣，並等待探頭達到穩定。

需要連續觀察酸鹼度時，可參考Gravity SEN0169 類比 pH 長期監測套件這類「電極＋訊號板」組合。其頁列訊號板供電為 5.00V，類比輸出需配合適當 ADC；選型重點應放在電極是否適合水樣、可否更換、如何校正與保存，而不是只比顯示的小數位數。

pH 電極的高阻抗訊號很容易受潮濕與電氣干擾影響。BNC 接頭及訊號板要保持乾燥，電極依原廠規定用保存液維護；純水不能隨意當作長期保存液。校正液要接近目標量測區間，並記錄日期、溫度與電極狀態。溫度補償也不會消除水樣本身隨溫度改變的酸鹼平衡。SEN0169 原廠校正與使用說明。

TDS 與濁度：便於記錄，仍要看範圍與輸出

若目的是觀察低濃度水樣在補水、濃縮或配液前後的趨勢，可以參考類比 TDS 水質檢測模組。該頁列出供電 3.3～5.5V、輸出 0～2.3V、範圍 0～1,000ppm，以及 25℃時 ±10% FS 的精度條件。FS 指滿量程；以 1,000ppm 的量程換算，10% 是 100ppm，不能理解為任意讀值的 ±10%，更不能由螢幕多顯示一位小數推論精度。

高鹽度、海水或高濃度營養液，可能超出這類模組的工作範圍，需改評估合適量程的 EC／鹽度設備。校正、溫度補償與導電度轉 TDS 的係數都要記錄；若要沿用原專案程式，也應重新確認實際模組版本、ADC 與轉換公式。產品頁的參考程式不代表已在 UNO Q 或每一款 ESP32 驗證。

濁度可依安裝方式選兩條路。Gravity SEN0189 類比濁度感測器適合研究液體混濁與光學變化，供電 5V，類比輸出最高 4.5V。它也提供可調門檻數位輸出，但那只是比較結果。若要得到可比較的 NTU，需標準液、固定光路與自己的量測校正；氣泡和探頭髒污也要納入排查。原廠規格與文件。

若不希望探頭接觸液體，可評估SEN0554 非接觸式 UART 濁度感測器。它以兩個光學頭相對安裝，原廠條件是直徑 40～50mm 的透明圓筒容器，回傳相對濁度或 AD 資料。換瓶型、壁厚、顏色或位置都會改變光路，不能因為改用數位通訊，就當成免校正 NTU 儀表。UART-TTL 的電位也須另外確認，5V 供電不代表訊號必然適合 3.3V 主控。原廠通訊與光學條件。

主控板怎麼選？從記錄器走到本地分析

若先做曲線與門檻提醒，既有 ESP32 或 Arduino 加合適介面，就可規劃基本節點；要保留資料、提供儀表板與離線提醒，則須一起安排儲存、時鐘、網路與程式恢復。這是另一種實作路線，需要自行移植軟體，不能直接執行原專案的 Linux 推論檔。

希望在同一板上整合 Linux 分析與 MCU 採樣，可以參考Arduino UNO Q 2GB／16GB eMMC 開發板。原專案列的是 4GB 版本，而此頁為 2GB；能否容納模型、資料庫、儀表板與背景服務，需要在目標版本測量記憶體、儲存成長與持續運行狀態。不能把同一系列直接寫成完全等同的材料表。UNO Q 官方硬體資料。

若手邊已有 Raspberry Pi，也可評估由它處理儀表板與記錄，另由 MCU 或外接 ADC 負責類比採樣；一般 Raspberry Pi GPIO 不直接提供通用類比輸入。對低頻水質資料，主機效能通常只是條件之一，前端訊號與校正品質同樣影響結果。

需要更多類比通道時，ADS1115 四通道 ADC 模組可列為候選。它是多工取樣，並非四路真正同步量測；資料速率要分配給各通道，16-bit 解析度也不等於整套系統有 16-bit 的有效精度。依 TI 文件，它最高為 860SPS。PGA 的 ±6.144V 檔位不會讓 3.3V 供電的輸入腳變成可任意接 6V，仍受供電與輸入限制。改成 5V 供電時，也要查模組 I²C 上拉與主控邏輯電位。TI ADS1115 資料表。

先把電壓與水中干擾處理好，再討論模型

3.3V GPIO、ADC 量測範圍與可承受輸入並不是同一件事。SEN0189 最高 4.5V 的輸出，就不能未經評估直接接入 3.3V 類比前端。可按完整輸出範圍設計分壓、緩衝或其他訊號調理，留出誤差與異常餘裕，再把調理比例納入校正。示範程式裡的 5V 參考與 10-bit 換算，也應按實際 ADC 重寫。

多支探頭泡進同一水樣後，還可能透過水體與接地路徑互相影響。阿明建議先讓每支獨立量測，再逐支加入，觀察其他通道是否跟著跳動，並排查電源、漏電耦合、接地與取樣安排。必要時評估隔離式前端或分時激勵，不能只用軟體平均把干擾藏起來。另加絕緣或密封材料前，須確認接液相容性及對反應時間的影響。

實際系統建議保存的不只是一個換算值。至少還要有時間戳、原始訊號、溫度、校正版本、資料有效狀態與告警原因。斷線、探頭異常或超量程應標為無效，不能補成 0，也不能把上次讀值一直顯示成最新值。

異常分數怎麼用，才不會一直誤報？

可以先建立兩層判斷：一層處理超量程、探頭斷線與現場約定的門檻；另一層觀察多個有效指標是否偏離平常。模型學到的是收集期間的資料分布，無法憑空知道什麼水源或製程才正確，也不能靠異常分數識別未量測的污染物。

訓練資料應包含正常補水、日夜溫差、清洗及例行操作，並由人確認哪些時段可視為正常。驗證時按時間切開訓練與測試區段，避免把相鄰且幾乎相同的數據隨機分散後，得到過度樂觀的結果。更換探頭、調整校正或變更取樣位置，都應重新檢查基準。

告警可以設定持續時間、回復遲滯與冷卻時間，但要先保留原始事件，量化誤報次數、已知異常的漏報，以及從變化到通知的延遲。若要接補液、加藥或其他控制，須另設最大動作量、感測失效停機與人工覆核；初期先做記錄與通知，更容易建立可追查的基準。

依預算與使用情境，分三階段完成

預算也應包含標準液、電極保存液、清洗耗材、乾燥配線箱、穩定電源及維護工時。外觀相似的感測模組，可能在輸出、量程或探頭用途上不同；換零件後，原本的轉換曲線與模型未必能沿用。

這篇列出的開發板與模組，是按介面與用途提供的選項，並非原作者同型材料清單，也未做整套接線與效能實測。讀者可沿著每段的產品規格與原廠文件比較，先挑能回答自己問題的一組，再逐步擴充。對水質系統而言，知道數字從哪裡來、何時不可信，以及出現變化後該怎麼處理，才是值得優先完成的功能。