Design and implementation of a multi-parameter water quality monitoring system based on ESP32

This thesis presents the design and implementation of AquaMonitor, a compact multi-parameter water quality monitoring system based on an ESP32 microcontroller. The platform integrates three sensing channels: a PT1000 temperature channel using an ADS124S08 precision delta-sigma ADC, a carbon nanotube ion-sensitive field-effect transistor (CNT ISFET) pH channel using an AD5941 amperometric readout circuit, and an electrical conductivity channel using AD5941 impedance spectroscopy. Dedicated embedded firmware and host computer software were developed to support command-based control, channel selection, calibration, visualization, and data export. Experimental validation showed that the temperature channel achieved strong quantitative performance after sensor-specific calibration: a quadratic calibration model reduced the diagnostic RMSE from 1.020 °C to 0.307 °C, and a room-temperature verification test produced an absolute error of 0.067 °C. The pH channel was validated at the functional level by screening eight ISFET drain channels and observing a repeatable current response to pH 4, pH 7, and pH 10 buffer solutions. The conductivity channel correctly measured known resistive loads with errors below 1% and provided a medium-range conductivity measurement of 1291 µS/cm for a 1413 µS/cm standard solution at 20 kHz, corresponding to a relative error of approximately -8.6%. High-conductivity measurements at 12.88 mS/cm were significantly underestimated, indicating that further electrode and range optimization is required. The results demonstrate that AquaMonitor is a functional research prototype for integrating conventional water quality sensors with emerging solid-state pH sensing technology.

Questa tesi presenta la progettazione e l’implementazione di AquaMonitor, un sistema compatto per il monitoraggio multiparametrico della qualità dell’acqua basato su microcontrollore ESP32. La piattaforma integra tre canali di misura: un canale di temperatura con sensore PT1000 e convertitore delta-sigma ADS124S08, un canale pH basato su un transistor iono-sensibile a nanotubi di carbonio (CNT ISFET) letto mediante AD5941 in configurazione amperometrica, e un canale di conducibilità elettrica basato su spettroscopia di impedenza con AD5941. Sono stati sviluppati firmware embedded e software host per il controllo tramite comandi, la selezione dei canali, la calibrazione, la visualizzazione e l’esportazione dei dati. La validazione sperimentale ha mostrato che il canale di temperatura raggiunge buone prestazioni quantitative dopo calibrazione specifica del sensore: il modello quadratico ha ridotto l’RMSE diagnostico da 1.020 °C a 0.307 °C e la verifica a temperatura ambiente ha prodotto un errore assoluto di 0.067 °C. Il canale pH è stato validato a livello funzionale tramite lo screening di otto canali ISFET e l’osservazione di una risposta di corrente coerente in soluzioni tampone a pH 4, pH 7 e pH 10. Il canale di conducibilità ha misurato correttamente carichi resistivi noti con errori inferiori all’1% e ha fornito una misura di 1291 µS/cm per una soluzione standard da 1413 µS/cm a 20 kHz, pari a un errore relativo di circa -8.6%. Le misure ad alta conducibilità, pari a 12.88 mS/cm, sono risultate sottostimate, indicando la necessità di ottimizzare l’elettrodo e il campo di misura. I risultati dimostrano che AquaMonitor è un prototipo di ricerca funzionale per l’integrazione di sensori convenzionali per la qualità dell’acqua con tecnologie emergenti di sensing pH allo stato solido.