本发明属于环境监测设备领域，特别涉及一种用于监测污水和废水是否符合排放标准的极低功耗水质实时监测系统以及其中的ph信号调理变送电路。
背景技术：
水质污染具有理化成分复杂、多样和点多面广的特点，不仅受污染源的大小和数量影响，而且还受汛期洪水、降雨量的影响。由于多种因素导致的综合结果，水质参数在成分和时空上的变化非常复杂。
传统的人工现场水样采集、化验方式周期太长，难以及时、准确地反映水质变化的性质和过程，所以水资源的开发利用和保护等工作得不到有效的监控与科学管理。为了有效地实时监控区域地表水、地下水的水质污染变化动态，了解区域内污染源(入河排污口)的污染物排放数量及浓度的变化情况，为水资源优化配置和科学管理提供实时、连续的水质参数及变化信息，建设水质实时监测系统是非常迫切和必要的。
随着传感器技术、计算机技术、通信技术以及微电子技术的发展，目前国内外在水质监测系统上的研究和应用已经从传统的人力监测发展到现今的在线监测系统，在线监测具有传输数据及时、运行稳定可靠的特点，但由于数据传输多采用有线网络，布线繁琐、网络维护困难、消耗大量人力物力资源。而且目前，国内自动监测仪器研制技术发展较慢，大量购买国外产品价格昂贵。引进国外的水质自动监测仪、自动采集数据和信息传递系统成本高。
一般情况下，一套设备只能固定在一个地点使用，并且大多监测工作都是工作人员现场蹲点完成，非常的耗时耗力。而且整个水质监测系统外带时需要携带供电设备，工作人员携带起来也不方便。如果需要更换监测地点，也是相当麻烦的。其在监测数据信息的查询方面也比较麻烦，工作人员只能在系统的中控机上查看显示的实时监测数据，而且需要人工记录下来，这给日后的数据信息查询带了很多麻烦。由于工作时间长和人力消耗过大的原因，它的实时性也相当受限。
因此，研制一种能使水质实时监测系统的成本降低、测量精度提高、应用面广、功耗极低的信号调理变送方法使水质监测系统长期工作已迫在眉睫。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是克服在线水质监测系统的局限性，提供一种相对成本低、测量精度高、应用面广、功耗低而能长期工作的极低功耗的ph信号调理变送电路及水质实时监测系统。系统工作过程中消耗极低功耗，可以使用锂电池对系统进行长时间供电从而对水质进行实时监测，轻便简单、实用，水质经过传感器时可以感知其参数的变化情况，并及时在水质参数超标时上报到服务器并在客户端显示提醒工作人员进行处理。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明的技术方案之一是提供一种极低功耗的ph信号调理变送电路，所述电路包括基准电压器、单运放参考电压跟随电路以及三运放运算放大器电路；所述基准电压器输出的基准电压经过电阻r1连接在单运放参考电压跟随电路中的运算放大器a1的同相输入端，运算放大器a1的同相输入端同时连接下拉的电阻r0，运算放大器a1的反相输入端与运算放大器a1的输出端相连，运算放大器a1的输出端送出参考电压至三运放运算放大器电路；三运放运算放大器电路包括运算放大器a2、运算放大器a3、运算放大器a4，运算放大器a2和运算放大器a3的同相输入端分别连接ph传感器检测到的-414mv(ph＝14)～+414mv(ph＝0)范围内的微弱水质参数信号，运算放大器a2和运算放大器a3的反相输入端之间连接电阻rg，运算放大器a2的反相输入端与输出端之间连接电阻r2-1，运算放大器a3的反相输入端与输出端之间连接电阻r2-2，运算放大器a2的输出端经过电阻r3-1接入运算放大器a4的同相输入端，运算放大器a3的输出端经过电阻r3-2接入运算放大器a4的反相输入端，运算放大器a4的同相输入端与输出端之间连接电阻r4-1，运算放大器a4的反相输入端经过电阻r4-2连接参考电压，运算放大器a4的输出端生成1.4v～0v信号。
优选的，所述单运放参考电压跟随电路通过使用分压比例电阻即阻值为兆级以上的r1和阻值在兆级以下的r0，通过一个运算放大器a1对基准电压进行改造，使参考电压控制在0.75v左右；所述运算放大器的电源电流不超过4μa，ib不超过10na，超低功耗，在3v供电的电路中，使总功耗控制在130μa以下。
优选的，所述三运放运算放大器电路，通过实测标定的方法，调节其周边的电阻rg、r3-1和r3-2电阻对阻值的大小以调整放大倍数，使实测结果与理论预测的范围相一致。
优选的，所述ph信号调理变送电路将ph传感器监测到的在-414mv(ph＝14)～+414mv(ph＝0)范围内的微弱水质参数信号对应放大到1.4v～0v范围内；所述ph信号调理变送电路的输出电压与被测ph值的对应关系为ph＝14对应1.4v、ph＝13对应1.3v、ph＝12对应1.2v、ph＝11对应1.1v、ph＝10对应1.0v、ph＝9对应0.9v、ph＝8对应0.8v、ph＝7对应0.7v、ph＝6对应0.6v、ph＝5对应0.5v、ph＝4对应0.4v、ph＝3对应0.3v、ph＝2对应0.2v、ph＝1对应0.1v、ph＝0对应0v。
本发明的技术方案之二是提供一种包括上述ph信号调理变送电路的极低功耗便捷式水质实时监测系统，包括系统核心部分、数据传输系统、终端监测系统；
所述系统核心部分包括ph传感器、电池盒、ph信号调理变送电路、单片机、数据接收模块、模数转换模块及数据传输模块；所述ph传感器带有温补；所述电池盒放置锂电池，通过导线与单片机相连接，为电路提供3v的供电电压；所述ph信号调理变送电路，用于实现电信号的转换和电信号的放大，使电路的极低功耗控制在130μa以下；所述数据接收模块位于单片机上，接收来自ph信号调理变送电路经过信号转换和放大的信号，并通过软件对信号数据进行温度补偿；所述模数转换模块位于单片机上，将接受到的模拟水质参数转换为数字信号；所述数据传输模块位于单片机上，通过蓝牙模块或gprs模块进行数据的传输；所述单片机与电池相连接，为整个电路系统供电，同时实现数据的接收、a/d转换、数据的传输功能；
所述数据传输系统包括蓝牙模块、手机app、移动通信网络、信号塔及internet网络；系统核心部分的数据传输模块通过蓝牙模块与手机app经过移动通信网络、信号塔、internet网络、通信总线对数据进行传输达到终端监测系统的服务器；或者系统核心部分的数据传输模块直接与外界经过移动通信网络、信号塔、internet网络、通信总线对数据进行传输达到终端监测系统的服务器；
所述终端监测系统包括通信总线、服务器、传输总线及客户端，服务器将接受到的数据储存在数据库中，供用户在客户端将服务器的数据经过传输总线随时调用查看并做相应的处理。
优选的，所述ph传感器带有阻值随温度的变化大、特性曲线线性好的pt1000温补传感器。
优选的，所述系统核心部分的电池盒、ph信号调理变送电路、单片机、数据接收模块、模数转换模块及数据传输模块集中于便捷箱中，ph传感器在所述便捷箱的外部，ph传感器通过其传输线末端的插头与便捷箱的插座相连，可以根据不同监测点的需求安装需要的所需的ph传感器，ph传感器的个数可以根据具体监测地点所需监测的水质情况安装；各ph传感器与便捷箱的接触部分通过固定焊接密封，整个便捷箱采用密封防水设计；所述系统核心部分置于窨井中，ph传感器的敏感探头位于水面以下，ph传感器与便捷箱通过传输线相连，ph传感器的上部与传输线相接处往下3～5cm处与便捷箱之间的传输线套在防水管中，所述系统核心部分整体固定在窨井的井壁上。
本发明的有益技术效果在于：
本发明用于极低功耗水质实时监测系统的ph信号调理变送电路，使用双电池(3.0v)为电路供电。ph信号调理变送电路用于实现电信号的转换和电信号的放大，使电路的极低功耗控制在130μa以下，实现水质ph值信号-414mv(ph＝14)～+414mv(ph＝0)与输出电压1.4v～0v的一一对应。
本发明可以使极低功耗便捷式水质实时监测系统在一个水域体系中或者是一个地区的多个水系中固定安装，形成固定的检测子站，由一个中心站对其进行控制，形成便捷式实时监测体系。中心站是各子站的监控中心和网络指挥中心以及信息数据中心，监控和管理各子站的水质实时变化情况。它配有功能齐全、存贮容量大的计算机服务器系统和客户端系统，由分析、通讯传输设备及接收和数据显示的管理软件构成。中心站的主要功能：数据通信、实时数据库、报警、安全管理、数据显示、数据打印，中心站的工作一般是间歇式的。
使水质实时监测系统可达到极低功耗、便捷的要求，可以连续地对流过ph传感器的水质实现多种参数的实时监测，为水质监控提供相应的、较为完整的解决方案；可及时地掌握水处理系统中各流程点的水质状况，有效地保证污水及废水处理系统的正常运行；可满足企业生产高效、极低功耗、现场无人值守等要求。
本发明的极低功耗便捷式水质实时监测系统是一套用于监测污水和废水是否符合排放标准的便捷式极低功耗的水质实时监测系统，可以连续地对流过ph传感器的水质实现多种参数的实时监测，为水质监控提供相应的、较为完整的解决方案；可及时地掌握水处理系统中各流程点的水质状况，有效地保证污水及废水处理系统的正常运行；可满足企业生产高效、低功耗、现场无人值守等要求。
实施水质实时监测系统，可以实现水质的实时监测和远程监控，达到及时掌握主要流域重点断面水体的水质状况、对重大或流域性水质污染事故进行及时的警报、解决跨行政区域的水污染事故纠纷、排放达标情况等目的。
水质实时监测系统具有最佳现场使用效果，可以对水质进行自动、实时的监测，数据远程自动传输，随时可以查看所设站点的水质参数数据。这对于解决传统人工监测周期长，劳动强度大，数据采集、传输速度慢和现行的在线水质监测只能固定在一个地点使用，并且大多监测工作都是工作人员现场蹲点完成，非常的耗时耗力，而且整个水质监测系统外带时需要携带供电设备等问题，具有深远的社会效益和经济效益。
实现水污染的预警预报，水质实时监测工作的开展，改变了过去总在事后才能向有关部门提供水质信息的被动局面，实现了在水质发生恶化时，仪器自动报警或响应，对流域下游发出水质污染的预警预报，防患于未然，充分体现了水利部门水量水质综合管理的优越性。这对于防止污染事件的进一步发展有重要意义。
实现水质信息的在线显示和互访共享，水质实时监测系统促进水利部门水环境监测系统计算机联网，改革环境质量和污染源报告的编报，加速全国水环境监测技术向统一化、标准化发展，实现水质信息的在线显示、分析、计算、图表显示、打印等，随时实现各单位之间水质信息的互访共享，实现全流域水质环境的综合评价，可迅速为领导决策提供科学依据。
附图说明
图1为本发明的极低功耗便捷式水质实时监测系统的组网结构示意图。
图2为系统核心部分的模块结构示意图。
图3为极低功耗的ph信号调理变送电路图。
图4为极低功耗水质实时监测系统安装示图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本方法实施例的一种极低功耗便捷式水质实时监测系统，包括由ph传感器2、便捷箱3及其内部模数转换模块4组成的系统核心部分1；以及数据传输网络，包括：蓝牙模块5、手机app6、移动通信网络(如gprs)7、信号塔8、internet网络9；以及终端监测系统：包括通信总线10、服务器11、传输总线12、客户端13。
ph传感器2在便捷箱3的外部，通过其传输线末端的特殊插头与便捷箱3的插座相连，可以根据不同监测点的需求安装需要的所需的ph传感器2，即ph传感器2的个数可以根据具体监测地点所需监测的水质情况安装。各ph传感器2与便捷箱3体面的接触部分通过固定焊接密封，整个便捷箱3也采用密封防水设计，防止水分进入箱体影响电路装置的性能。模数转换模块4为极低功耗模块，功耗控制在1mw以下，使用两节磷酸锂铁电池3.0v电源供电。通过模数转换模块4中的电路可以将接收到的模拟水质参数转换为数字信号。
如图2所示，便捷箱3内部包括电池盒、ph信号调理变送电路、单片机、数据接收模块、模数转换模块及数据传输模块；电池盒放置锂电池，通过导线与单片机相连接，为电路提供3v的供电电压；ph信号调理变送电路用于实现电信号的转换和电信号的放大，使电路的极低功耗控制在1mw以下；数据接收模块位于单片机上，接收来自ph信号调理变送电路经过信号转换和放大的信号，并通过软件对信号数据进行温度补偿；模数转换模块位于单片机上，将接受到的模拟水质参数转换为数字信号；数据传输模块位于单片机上，通过蓝牙模块或gprs模块进行数据的传输；单片机与电池相连接，为整个电路系统供电，同时实现数据的接收、a/d转换、数据的传输功能。上述结构中，ph传感器带有阻值随温度的变化较大，特性曲线线性较好的pt1000温补传感器；ph传感器通过导线接在ph信号调理变送电路上；将电池盒以及变送电路和单片机密封在便捷箱中，使用单电源为电路提供3v的供电电压，可以使电源设计、调试简化，降低了产品成本，有效地实现极低功耗、便携的目的。
如图3所示，本发明实施例的一种极低功耗的ph信号调理变送电路，将ph传感器(或探头)感知到的微弱的电位信号-414mv(ph＝14)～+414mv(ph＝0)通过单电源供电的三运放运算放大器电路，调节电路中电阻的阻值比使其放大到1.4v～0v，可以通过读取电压直接反映出水质的ph值，给维修工作带来了很大的便利；供电电源是使用电池(如两节磷酸锂铁)提供3.0v电压供电，pcb板上的电路总电流(ia)最大值不超过130μa，即电路总功耗控制在130μa以下，使供电周期延长到两个月以上。在具体应用过程中，可以采用多个单电源并联的方式为电路供电，达到极低功耗、更长时间供电的效果。通过信号放大装置中的电路可以将接受到的模拟水质参数的微弱信号(-414mv(ph＝14)～+414mv(ph＝0))放大到可读的、并且经数据处理得到一一对应ph值的电压信号，即取经典的五点值：0v(ph＝0或+414mv)、0.4v(ph＝4或+177mv)、0.7v(ph＝7或0mv)、1.0v(ph＝10或-177mv)、1.4v(ph＝14或-414mv)。
在达到极低功耗的要求过程中，采用单电源的运算放大器来满足要求，有效实现电源电压的节能要求。相比于正、负双极性电源来说，单电源驱动使电源设计、调试简化，降低了产品成本，在大量的中小功率驱动应用中具有明显的优势。在运算放大器的选择时，遵循单电源供电、极低功耗原则寻找具有仿真模型、符合要求的运算放大器。在以往的研发应用中，研究者更加倾向于系统的测量精度，为了追求精度，在信号源(ph传感器)和单片机之间的信号放大电路必须采用低电阻大电流的方案来降低噪声，从而导致了高功耗。在系统中依旧无法兼顾上述双重标准而选择使系统达到极低功耗的要求，为了达到极低功耗选择舍弃一定的测量精度，选用大电阻小电流的放大电路来实现电路的极低功耗(130μa以下)，在仿真以及后续实测过程中，在满足监测数据范围需求的前提下，电路中使用的电阻阻值大小从几千欧直到几兆欧，虽然此方法增大了电路噪声，在一定程度上也降低了测量精度，但能够有效地保证整个系统的极低功耗，这中做法是国内以往近一二十年来在申请与水质ph监测相关专利的任何专利中的电路设计里都不曾使用的。本系统不仅实现了极低功耗的需求，同时也达到上述ph值大小与输出电压值大小一一对应的效果，方便监测人员读取数据、判断水质情况，在电路出现故障时也方便了维修人员检测并对电路进行维修。
如图1所示，在实际应用中，所述极低功耗便携式水质实时监测系统的系统核心部分安装在窨井中，譬如：情况一，在通信信号无法达到的窨井中，可以单独选择系统中的蓝牙模块5进行通信，使蓝牙模块5与手机app6经过移动通信网络(如gprs)7、信号塔8、internet网络9、通信总线10对数据进行传输达到服务器11，监测员如果需要查看水质情况可以通过客户端13将服务器11的数据经过传输总线12调出查看；情况二，在通信信号良好的环境下，可以使用系统中的数据传输模块直接与外界经过移动通信网络(如gprs)7、信号塔8、internet网络9、通信总线10对数据进行传输达到服务器11，监测员如果需要查看水质情况可以通过客户端13将服务器11的数据经过传输总线12调出查看，同时也可选择与情况一中所述方法结合起来使用。使用手机app6的主要目的是：可以通过手机app6对系统下达相应的指令，根据对水质的情况的查看要求改变相应的设置参数，同时也可监测系统所用电池的电量情况，方便及时更换电池，保证系统的正常工作。
如图4所示，是极低功耗便携式水质实时监测系统的安装示图，将整个极低功耗水质实时监测系统的系统核心部分1置于窨井0中。ph传感器2的敏感探头位于水面以下，ph传感器2的上部与传输线相接处往下3～5cm处与便捷箱3之间的传输线套在防水管中，并将整个装置固定在窨井0的井壁上。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本专利。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。