“基于STM32的智能水质监测系统”用于小区水质检测与简易净化的实验研究
“基于STM32的智能水质监测系统”用于小区水质检测与简易净化的实验研究
学 校：徐州市第一中学
班 级： 高二（15）班
组 长： 曹艺嘉
指导老师： 黄来清
徐州市第一中学
2026年2月
1.研究背景与意义
1.1研究背景
水资源是维系生态平衡、保障人类生产生活的基础。随着我国工业化与城市化进程加快，水体污染问题日益受到关注。据相关统计，部分流域仍存在水质超标现象，主要污染物包括有机物、重金属等。传统的人工采样与实验室分析方式，存在检测周期长、响应滞后、覆盖范围有限等不足，难以满足当前水污染防治对实时监测、快速预警的需求。
特别是社区饮用水安全，是居民关注的重要民生问题。我家所在的小区居民经常讨论：自来水烧开后水垢多，净水机出来的水口感更好，小区景观池塘的水看起来有点发绿。这些日常现象引发了我的思考：不同水源的水质究竟有多大差异？净水机真的能把水变干净吗？能不能自己做个简单的过滤器？
带着这些疑问，我开始查阅资料。原来，水质监测是环境保护中非常重要的一项工作。过去检测水质主要靠人工采样送到实验室，流程比较慢，等结果出来可能已经过去好几天了。而现在的智能监测技术，可以通过传感器快速测量水的温度、浑浊度、溶解物质含量等指标，还能把数据传到手机上，方便又及时。
我在中国矿业大学徐海学院信息工程专业友鹏教授的指导下，接触到了一套“基于STM32的智能水质监测系统”。这套系统由该学院邵明绳学长设计，可以同时检测水温、浑浊度、TDS值（溶解性固体总量）等多项指标，还能通过WiFi把数据上传到云端。我想借助这套设备，尝试用科技手段对我家小区的不同水源进行检测，同时尝试用生活中常见的材料制作一个简易过滤器，探究其净化效果。希望通过这次研究，能用我学过的物理、化学、生物等知识，解答心中的疑问，也为社区里关心水质的邻居们提供一点参考。
1.2研究意义
这项研究对我来说，既是一次有趣的科学探索，也是一次把课堂知识搬到现实生活中的尝试。
从个人学习角度看：这次研究可以让我真正体会到多学科知识的实际应用。在搭建和调试STM32监测系统的过程中，我接触到了传感器的工作原理（物理）、水的溶解性固体测量（化学）、微生物观察（生物）、数据记录与分析（数学）、简单的编程和物联网知识。这些原本在课本上分开学的知识，通过一个实际问题串联在了一起，让我对“学以致用”有了更深的理解。
从解决实际问题的角度看：这套智能监测系统能够实时测量水的温度、浑浊度和TDS值，还能在数据异常时自动报警。我用它检测了小区里的自来水、净水机水和池塘水，发现三种水质确实存在差异。比如池塘水不仅看起来有点浑，显微镜下还能看到藻类，这说明它不适合作为生活用水。这些数据可以帮助我和邻居们更科学地了解身边的水质状况，而不仅仅是凭感觉判断。
从更广的应用前景看：这套系统硬件成本不高，体积小巧，操作也比较简单。如果能够推广，它可以用于监测小区池塘、校园景观湖、甚至家乡的小河水质变化。一旦发现水质变差，系统能及时报警，提醒相关人员处理，避免情况恶化。这种低成本、智能化的监测方式，也许能为家乡的水环境保护提供一种新的思路。
总之，本次研究不仅解答了我心中对水质的疑问，也让我感受到科技手段在环境保护中的力量。
1.3 “基于STM32的智能水质监测系统”简介
“基于STM32的智能水质监测系统”是基于 STM32 微控制器构建多参数智能水质监测系统，整合传感器数据采集、嵌入式编程、无线通信与云平台数据交互等关键技术，丰富了嵌入式系统在环境监测领域的应用场景，为多传感器集成、数据精准处理与远程传输技术的优化提供了实践参考，有助于推动智能监测技术与水环境治理领域的深度融合。
本系统可实现温度、浊度、TDS 值等核心水质参数的实时采集、本地可视化显示与远程云平台监控，当参数超出安全阈值时自动触发报警，能够快速响应水质异常，为水环境管理部门提供及时、准确的决策依据，有效降低水污染事故造成的损失。同时，系统采用低成本硬件选型与模块化设计，易于部署与维护，可广泛应用于河流、湖泊、水库、工业园区排污口等各类监测场景，对提升水质监测效率、降低监测成本、推动水环境治理智能化具有重要的现实应用价值。
2.研究目标
1.利用智能水质监测系统，检测小区不同水源（自来水、净水机水、池塘水）的水温、浊度、TDS值，并结合显微镜观察，分析水质差异及原因。
2.设计并制作简易家用过滤器，测试其对池塘水的净化效果，评估其可行性。
3.基于实验结果，提出水质监测与净化的改进建议，探讨智能监测系统在社区中的应用前景。
3.研究内容与方法
3.1实验材料
1.监测设备：“基于STM32的智能水质监测系统”（带水温传感器、浑浊度传感器、TDS传感器、显示屏）
2.水样：我家自来水、小区直饮净水机的水、小区池塘水
3.过滤器材料：大号饮料瓶、活性炭（鱼店买的）、石英砂、纱布、脱脂棉
4.辅助工具：烧杯、滴管、显微镜
3.2 实验过程
实验前准备
我在友鹏教授和邵明绳学长的指导下，首先学习了STM32智能监测系统各传感器的简单原理与使用方法，并通过串口调试助手了解了数据采集流程。随后，分批次采集三种水样，严格按照操作步骤记录数据，同时用显微镜观察池塘水中的微生物。在制作过滤器时，反复调整各层材料的厚度与紧实度，确保过滤效果稳定。
实验一：“基于STM32的智能水质监测系统”对3种水质的检测
（1）把智能监测系统的各传感器依次放进三种水样里，待读数稳定后记录数据。水样重复测量3次，取平均值。
（2）用滴管取一滴池塘水，置于显微镜下观察微生物情况。
（3）通过WiFi模块将数据上传至华为云平台，实现远程监测与阈值报警设置。
实验二： 自制过滤器净化效果检测
（1）把饮料瓶从中间切开，取上半部分倒置作为滤柱。
（2）在瓶口先塞入一团脱脂棉（约1cm），然后依次装入：粗石英砂（约2cm）、细石英砂（约2cm）、活性炭（约3cm）。每层之间用纱布隔开以防止混合。
（3）将池塘水缓缓倒入过滤器，收集过滤后的水样，再次使用智能监测系统检测其浊度、TDS值，并与过滤前对比。
3.3 实验结果分析
实验一 “基于STM32的智能水质监测系统”对3种水质的检测结果分析
实验结果分析：
（1）自来水TDS值为158 ppm，符合国家饮用水标准（通常<1000 ppm），但钙镁离子含量较高，这是徐州地区地下水特性所致，烧开后形成水垢属正常现象。
（2）净水机水TDS值显著降低（42 ppm），说明反渗透或活性炭过滤有效去除了大部分溶解性矿物质，这可能是口感改善的原因。
（3）池塘水TDS值最高（212 ppm），且浊度超标、含有藻类，表明水体已受有机物污染，不适合作为生活用水，同时需要加强小区水景维护。
实验二 自制过滤器净化效果检测结果分析
实验结果分析：
自制过滤器对悬浮颗粒物（浊度）去除效果显著，但对溶解性固体（TDS）的去除能力有限，仅降低约6.6%。说明活性炭和石英砂主要依靠物理截留和吸附作用，无法有效去除溶解性矿物质（如钙、镁离子）。过滤后水样略带淡黄色，可能是活性炭粉末或有机物残留导致的。
结论：
（1）小区三种水源水质差异明显，各有特点：自来水水质清澈透明，显微镜下未观察到微生物，各项指标符合饮用水标准，可安全饮用。烧开后出现水垢，是由于徐州地区地下水本身钙镁离子含量较高，加热后形成碳酸钙沉淀，属于正常现象，不影响健康。净水机水的TDS值降至42 ppm，相比自来水下降了73%以上，说明净水机（可能采用反渗透或活性炭过滤技术）能有效去除水中溶解的矿物质。这解释了居民普遍反映的“口感更好”的原因——溶解性固体减少后，水喝起来更加柔和。池塘水TDS值达212 ppm，是三份水样中最高的，目测略浑浊、微发绿，显微镜下可见游动的藻类。这表明池塘水已受到有机物污染，不适合作为生活用水，同时也需要提醒小区物业要加强景观水体的维护管理，如定期换水或增加循环过滤设备。
（2）自制简易过滤器能“滤浑”但难“除盐”：利用饮料瓶、石英砂、活性炭、纱布、脱脂棉制作的简易过滤器，对池塘水的浊度改善明显，原本微绿浑浊的池塘水经过滤后变得清澈透明，说明活性炭和石英砂的物理截留与吸附作用能有效去除悬浮颗粒、藻类和大分子有机物。肉眼观察，净化效果显著。
但是对TDS去除有限。过滤前池塘水TDS平均值为212 ppm，过滤后为198 ppm，仅下降14 ppm（约6.6%）。这说明自制过滤器虽然能挡住“看得见”的杂质，但对于“看不见”的溶解性矿物质（如钙、镁、钠等离子）去除能力很弱。要想真正降低水的硬度或TDS值，需要更专业的过滤材料，如离子交换树脂或反渗透膜，简易过滤器无法替代专业净水设备。
（3）显微镜观察印证了生物指标的重要性：在池塘水样中，通过显微镜清晰观察到游动的绿色颗粒（藻类），这直观地说明：仅靠TDS和浊度等理化指标并不能完全反映水质状况。生物指标（如微生物、藻类）同样是评价水质的重要维度。这让我更深刻地理解到，水质评价需要多指标综合判断，单一指标可能会“漏掉”问题。
4. 课题报告
“基于STM32的智能水质监测系统”用于小区水质检测与简易净化的实验研究
曹艺嘉
摘要：水与日常生活息息相关。本研究基于STM32智能水质监测系统，对小区自来水、净水机出水和池塘水进行水温、浊度、TDS值检测，并结合显微镜观察与自制过滤器净化实验，探究不同水源的水质差异及简易净化效果。结果表明：三种水源水质差异明显，自来水TDS值为158 ppm，符合标准但硬度较高；净水机水TDS值降至42 ppm，溶解性矿物质大幅减少；池塘水TDS值达212 ppm，浊度超标且含藻类，不宜作为生活用水。自制过滤器能有效改善浊度，但对TDS去除效果有限，仅下降6.6%。本研究融合多学科知识，为社区水质认知提供数据参考，体现了智能监测技术在环境监测中的实用价值。
关键词：STM32；水质检测；TDS；简易过滤器；社区水质
0引言
水是生命之源，也是人们每天生活中离不开的重要资源。做饭、喝水、洗菜、浇花，甚至小区里的景观池塘，都离不开水。然而，我们身边的水真的都一样干净吗？
社区饮用水安全是居民关注的重要民生问题。我家所在的小区居民经常讨论：自来水烧开后水垢多，净水机出来的水口感更好，小区景观池塘的水看起来有点发绿。这些日常现象引发了我的思考：不同水源的水质究竟有多大差异？净水机真的能把水变干净吗？能不能自己做个简单的过滤器？
带着这些疑问，我开始查阅资料。原来，水质监测是环境保护中非常重要的一项工作。过去检测水质主要靠人工采样送到实验室，流程比较慢，等结果出来可能已经过去好几天了。而现在的智能监测技术，可以通过传感器快速测量水的温度、浑浊度、溶解物质含量等指标，还能把数据传到手机上，方便又及时。
我在中国矿业大学徐海学院信息工程专业友鹏教授的指导下，接触到了一套“基于STM32的智能水质监测系统”。这套系统由该学院邵明绳学长设计，可以同时检测水温、浑浊度、TDS值（溶解性固体总量）等多项指标，还能通过WiFi把数据上传到云端。我想借助这套设备，尝试用科技手段对我家小区的不同水源进行检测，同时尝试用生活中常见的材料制作一个简易过滤器，探究其净化效果。
通过这次研究，我希望能够：第一，了解身边不同水源的水质差异，用数据解答生活中的疑问；第二，验证简易过滤器的实际效果，探究物理过滤与溶解性物质去除的关系；第三，将课堂上学到的物理、化学、生物、数学等知识运用到实际问题中，体会多学科融合的魅力；第四，为社区里关心水质的邻居们提供一些科学参考，让大家对饮用水有更理性的认识。
本次研究虽然只是一个高中生的初步探索，但我相信，用科学的眼光观察生活，用所学的知识解决生活中的真实问题，正是科创实践的意义所在。
1.材料与方法
1.1实验材料选择
本次实验选取以下材料：
1.监测设备：“基于STM32的智能水质监测系统”（带水温传感器、浑浊度传感器、TDS传感器、显示屏）
2.水样：我家自来水、小区直饮净水机的水、小区池塘水
3.过滤器材料：大号饮料瓶、活性炭（鱼店买的）、石英砂、纱布、脱脂棉
4.辅助工具：烧杯、滴管、显微镜
重要实验材料说明：
“基于STM32的智能水质监测系统”是基于 STM32 微控制器构建多参数智能水质监测系统，整合传感器数据采集、嵌入式编程、无线通信与云平台数据交互等关键技术，丰富了嵌入式系统在环境监测领域的应用场景，为多传感器集成、数据精准处理与远程传输技术的优化提供了实践参考，有助于推动智能监测技术与水环境治理领域的深度融合[1-2]。
本系统可实现温度、浊度、TDS 值等核心水质参数的实时采集、本地可视化显示与远程云平台监控，当参数超出安全阈值时自动触发报警，能够快速响应水质异常，为水环境管理部门提供及时、准确的决策依据，有效降低水污染事故造成的损失。同时，系统采用低成本硬件选型与模块化设计，易于部署与维护，可广泛应用于河流、湖泊、水库、工业园区排污口等各类监测场景，对提升水质监测效率、降低监测成本、推动水环境治理智能化具有重要的现实应用价值。
1.2实验方法
实验前准备
我在友鹏教授和邵明绳学长的指导下，首先学习了STM32智能监测系统各传感器的简单原理与使用方法，并通过串口调试助手了解了数据采集流程。随后，分批次采集三种水样，严格按照操作步骤记录数据，同时用显微镜观察池塘水中的微生物。在制作过滤器时，反复调整各层材料的厚度与紧实度，确保过滤效果稳定。
实验一：“基于STM32的智能水质监测系统”对3种水质的检测
（1）把智能监测系统的各传感器依次放进三种水样里，待读数稳定后记录数据。水样重复测量3次，取平均值。
（2）用滴管取一滴池塘水，置于显微镜下观察微生物情况。
（3）通过WiFi模块将数据上传至华为云平台，实现远程监测与阈值报警设置。
表1.2-1三种水样水质检测原始数据
实验二： 自制过滤器净化效果检测
（1）把饮料瓶从中间切开，取上半部分倒置作为滤柱。
（2）在瓶口先塞入一团脱脂棉（约1cm），然后依次装入：粗石英砂（约2cm）、细石英砂（约2cm）、活性炭（约3cm）。每层之间用纱布隔开以防止混合。
（3）将池塘水缓缓倒入过滤器，收集过滤后的水样，再次使用智能监测系统检测其浊度、TDS值，并与过滤前对比。
表1.2-2.简易过滤器材料记录
表1.2-3自制过滤器净化效果测试原始数据（池塘水）
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2. 结果与分析
借助智能水质监测系统和显微镜对不同水质进行检测。其中，智能水质监测系统以 STM32 微控制器为核心，集成DHT11温度传感器、 DS18B20 温度传感器、TDS 传感器及 TSW-30 模块，结合高电平蜂鸣器报警装置与OLED显示模块，实现对环境温湿度、水体温度、浊度、TDS 值等关键参数的实时采集与本地可视化展示。该系统通过无线通信ESP8266 WiFi模块将监测数据上传至华为云平台，完成数据的远程传输与集中管理，并设置阈值触发机制，当水质参数超出安全范围时，蜂鸣器自动报警。
图2-1 智能水质监测系统设计
图2-2 “基于STM32的智能水质监测系统”作品展示
作品展示
2.1“基于STM32的智能水质监测系统”对3种水质的检测
“基于STM32的智能水质监测系统”对3种水质的检测结果，由表1可以看出：自来水TDS值为158 ppm，符合国家饮用水标准（通常<1000 ppm），但钙镁离子含量较高，这是徐州地区地下水特性所致，烧开后形成水垢属正常现象。净水机水TDS值显著降低（42 ppm），说明反渗透或活性炭过滤有效去除了大部分溶解性矿物质，这可能是口感改善的原因。池塘水TDS值最高（212 ppm），且浊度超标、含有藻类，表明水体已受有机物污染，不适合作为生活用水，同时需要加强小区水景维护。
表1：“基于STM32的智能水质监测系统”对3种水质的检测结果分析表
2.2自制过滤器净化效果检测（池塘水过滤前后对比）
自制过滤器净化效果检测（池塘水过滤前后对比）结果，由表2可看出：自制过滤器对悬浮颗粒物（浊度）去除效果显著，但对溶解性固体（TDS）的去除能力有限，仅降低约6.6%。说明活性炭和石英砂主要依靠物理截留和吸附作用，无法有效去除溶解性矿物质（如钙、镁离子）。过滤后水样略带淡黄色，可能是活性炭粉末或有机物残留导致的。
表2：自制过滤器净化效果（池塘水过滤前后对比）检测结果分析表
3. 结论与思考
3.1结论
通过本次小区水质检测与简易净化实验，借助STM32智能监测系统和显微镜观察，结合自制过滤器的对比实验，我得出以下结论：
1.小区三种水源水质差异明显，各有特点：自来水水质清澈透明，显微镜下未观察到微生物，各项指标符合饮用水标准，可安全饮用。烧开后出现水垢，是由于徐州地区地下水本身钙镁离子含量较高，加热后形成碳酸钙沉淀，属于正常现象，不影响健康。净水机水的TDS值降至42 ppm，相比自来水下降了73%以上，说明净水机（可能采用反渗透或活性炭过滤技术）能有效去除水中溶解的矿物质。这解释了居民普遍反映的“口感更好”的原因——溶解性固体减少后，水喝起来更加柔和。池塘水TDS值达212 ppm，是三份水样中最高的，目测略浑浊、微发绿，显微镜下可见游动的藻类。这表明池塘水已受到有机物污染，不适合作为生活用水，同时也需要提醒小区物业要加强景观水体的维护管理，如定期换水或增加循环过滤设备。
2.自制简易过滤器能“滤浑”但难“除盐”：利用饮料瓶、石英砂、活性炭、纱布、脱脂棉制作的简易过滤器，对池塘水的浊度改善明显，原本微绿浑浊的池塘水经过滤后变得清澈透明，说明活性炭和石英砂的物理截留与吸附作用能有效去除悬浮颗粒、藻类和大分子有机物。肉眼观察，净化效果显著。
但是对TDS去除有限。过滤前池塘水TDS平均值为212 ppm，过滤后为198 ppm，仅下降14 ppm（约6.6%）。这说明自制过滤器虽然能挡住“看得见”的杂质，但对于“看不见”的溶解性矿物质（如钙、镁、钠等离子）去除能力很弱。要想真正降低水的硬度或TDS值，需要更专业的过滤材料，如离子交换树脂或反渗透膜，简易过滤器无法替代专业净水设备。
3.显微镜观察印证了生物指标的重要性：在池塘水样中，通过显微镜清晰观察到游动的绿色颗粒（藻类），这直观地说明：仅靠TDS和浊度等理化指标并不能完全反映水质状况。生物指标（如微生物、藻类）同样是评价水质的重要维度。这让我更深刻地理解到，水质评价需要多指标综合判断，单一指标可能会“漏掉”问题。
3.2实验引发的思考与展望：
1.净水机“去矿物质”的利与弊：净水机将TDS从158 ppm降至42 ppm，确实让水更“纯”了，但这是不是意味着对人体有益的钙、镁等矿物质也被一并去除了？“干净”的水是否等同于“健康”的水？这个问题值得进一步探究，未来如果条件允许，我希望能在现有STM32系统的基础上，进一步扩展功能——增加pH值传感器和余氯传感器，同时尝试引入矿物质成分检测，对比净水前后有益元素的变化。这样不仅可以更全面地评估水质，也能为“什么才是真正健康的水”这个问题寻找更科学的答案。
2.智能监测让水质“看得见”——关于数据共享的思考：过去人们判断水质只能凭感觉，而STM32智能监测系统让我通过具体数据“看见”了水质。TDS、浊度、温度等数字化指标，让水质评价更加客观准确。如果这类设备能在社区推广，利用WiFi模块将数据上传至云端，再开发一个简易手机App，居民用手机就能随时了解小区水质状况，遇到指标异常，还能自动报警提醒处理。这种“数据共享+实时预警”的模式，不仅能让大家喝上“放心水”，也能增强居民对小区环境的关注和参与感，真正实现让数据服务于生活的理念。我觉得这个问题也值得继续研究。
这次研究让我学会用科学眼光观察生活，用所学知识解决实际问题。当课堂上的分科知识在实践中融为一体，这不仅是一次实验探索，更是一次科技探究之路的启蒙。
参考文献
[1] 王嘉宁, 郝传柱. 基于STM32的智能水质检测系统研究[J]. 设备管理与维修, 2024.
[2] 刘旭东, 陈劲杰. 智能水质多参数检测控制嵌入式系统[J]. 农业装备与车辆工程, 2023.
