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城市自来水管网水质便携检验终端的研发与应用
集成电路应用
余家强
福建水投集团建宁水务有限公司
摘要： 针对城市供水管网末梢水质监测中传统实验室检测周期长、便携式设备成本高且功能单一等问题，该方案研发了一种基于ESP32-S3的低功耗多参数水质便携检验终端。系统采用四层架构设计，集成余氯、pH、浊度、TDS四参数同步检测功能，提出基于INA128仪表放大器与二阶RC低通滤波的信号调理链路，设计滑动平均-卡尔曼二级滤波算法抑制噪声干扰。与HACH DR1900、YSI ProDSS等商用设备及现有文献方案对比，该系统实现四参数10 s同步检测(传统分步检测180 s)，整机成本低于300元(系商用设备成本的1/30)，检测结果误差小于0.5%，连续工作时长为18 h。系统已通过建宁县供水管网实际应用验证，为末梢水质智能化监测提供了低成本解决方案。
中图分类号：TN43文献标识码：ADOI:10.19339/j.issn.1674-2583.2026.04.009
中文引用格式：余家强. 城市自来水管网水质便携检验终端的研发与应用［J］.集成电路应用，2026，43（4）：49-54.
英文引用格式：Yu Jiaqiang. Development and application of a portable water quality testing terminal for urban water supply networks［J］.Application of IC，2026，43（4）：49-54.
Development and application of a portable water quality testing terminal for urban water supply networks
Yu Jiaqiang
Jianning Water Supply Co., Ltd., Fujian Water Investment Group
Abstract： A low-power multi-parameter water quality portable testing terminal based on ESP32-S3 is developed to address the problems of long laboratory detection cycle, high cost and single function of existing portable devices in urban water supply network terminal monitoring. The system adopts a four-layer architecture design, integrating four-parameter synchronous detection of residual chlorine, pH, turbidity and TDS. A signal conditioning chain based on INA128 instrumentation amplifier and second-order RC low-pass filter is proposed, and a sliding average-Kalman two-stage filtering algorithm is designed to suppress noise interference. Compared with commercial equipment such as HACH DR1900 and YSI ProDSS, this system achieves four-parameter synchronous detection within 10 seconds (180 seconds for traditional step-by-step detection), with whole machine cost below 300 yuan (1/30 of commercial equipment’s), detection error less than 0.5%, and continuous working time of 18 hours. The system has been testified through the applicatian in Jianning water supply networks, offering budget-friendly solution for intelligent detection of terminal water quality.
Key words : water quality detection; portable terminal; multi-parameter synchronous; ESP32-S3; two-stage filtering; low-cost design

引言

城市供水安全直接关系到居民健康与社会稳定。根据《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2022)要求，供水企业需对末梢水质进行余氯、pH、浊度、溶解性总固体(TDS)等关键指标的常态化监测。传统监测模式依赖实验室人工取样与分光光度法分析，单次检测周期在3小时以上，无法实现管网末梢水质的实时动态评估。

便携式水质检测设备的发展为末梢水质快速监测提供了技术路径。目前市场上主流商用设备如HACH DR1900分光光度计(约10 000元以上)和YSI ProDSS多参数仪(约8 000元)虽具备较高检测精度，但存在以下局限：(1)成本高昂，难以在基层水务企业大规模部署［1-6］；(2)检测参数单一或需分步操作，无法实现多参数同步检测；(3)数据存储依赖本地导出，缺乏云端协同分析能力。近年来基于物联网的水质监测研究取得进展，但现有方案多聚焦于单参数或双参数检测，在低成本实现、多参数同步及数据滤波精度方面仍有不足［7-10］。

针对上述技术瓶颈，本文研发了一种基于ESP32S3的水质便携检验终端，主要技术创新包括：(1)低成本实现：整机物料成本低于300元，为商用便携设备的1/30，适于大规模推广；(2)多参数同步检测：采用ADC分时复用架构实现余氯、pH、浊度、TDS四参数10秒内同步完成检测，检测效率约为原方法的18倍；(3)二级滤波设计：INA128仪表放大器结合二阶RC低通滤波的信号调理链路与滑动平均-卡尔曼二级数字滤波算法，将检测结果波动控制在0.5%以内；(4)云端协同：基于MQTT协议接入阿里云IoT平台，实现检测数据实时上传、历史趋势分析与异常告警。


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作者信息：

余家强

(福建水投集团建宁水务有限公司，福建三明354500)

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