由于人口的快速增長(zhǎng)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,水環(huán)境保護(hù)壓力不斷加劇。本課題主要針對(duì)呼蘭河水質(zhì)的污染問題,建立水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)重要水質(zhì)因子的監(jiān)測(cè),進(jìn)而建立水質(zhì)評(píng)價(jià)模型對(duì)水體現(xiàn)狀進(jìn)行分析研究,并進(jìn)一步對(duì)重要水質(zhì)因子的具體數(shù)據(jù)與區(qū)間變化情況進(jìn)行客觀預(yù)測(cè),預(yù)知未來的水質(zhì)狀況。論文首先基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建呼蘭河水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、傳感器模塊、自動(dòng)配水模塊等,可實(shí)現(xiàn)化學(xué)需氧量、p H、氨氮等水質(zhì)參數(shù)的采集與監(jiān)測(cè)功能。然后,利用在解決高維非線性、小樣本等問題上很有優(yōu)勢(shì)的最小二乘支持向量機(jī)(LS-SVM)的分類與回歸算法對(duì)監(jiān)測(cè)到的水質(zhì)因子建立水質(zhì)評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)模型。針對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)模型的建立,采用多分類最小二乘支持分類算法(LS-SVC)對(duì)國家地表水監(jiān)控中心的水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練,并利用自適應(yīng)變異粒子群算法與交叉驗(yàn)證原理進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu),利用最優(yōu)的多分類LS-SVC模型對(duì)呼蘭河未知水質(zhì)進(jìn)行自動(dòng)等級(jí)評(píng)價(jià)。針對(duì)水質(zhì)預(yù)測(cè)模型的建立,采用偏最小二乘法提取水質(zhì)數(shù)據(jù)的主成分并降低其多重相關(guān)性,進(jìn)而通過最小二乘支持回歸算法(LS-SVR)進(jìn)行回歸訓(xùn)練,對(duì)水質(zhì)因子的未來數(shù)值進(jìn)行預(yù)測(cè);并將模糊信息�；椒ㄅcLS-SVR結(jié)合,建立水質(zhì)時(shí)序模型,實(shí)現(xiàn)未來三天水質(zhì)數(shù)據(jù)趨勢(shì)變化的預(yù)測(cè)。最后,利用預(yù)測(cè)的重要水質(zhì)因子數(shù)值及其區(qū)間變化情況實(shí)現(xiàn)未來水質(zhì)等級(jí)及其區(qū)間變化的預(yù)測(cè),進(jìn)而預(yù)知未來的水質(zhì)狀況。通過在監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地測(cè)試可知,本課題建立的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的采集精度與穩(wěn)定性能夠滿足呼蘭河監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的環(huán)境要求。通過實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果可知,本文建立的水質(zhì)評(píng)價(jià)模型對(duì)未知樣本分類準(zhǔn)確率可達(dá)94%;水質(zhì)預(yù)測(cè)模型可實(shí)現(xiàn)對(duì)重要水質(zhì)因子的具體數(shù)值及未來三天區(qū)間變化的預(yù)測(cè),并根據(jù)結(jié)果可對(duì)未來水質(zhì)實(shí)現(xiàn)較為精確的預(yù)測(cè)。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：X832;X824
【部分圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文2.3.1 數(shù)據(jù)采集主板卡采集主控板主要實(shí)現(xiàn)與各采集子板卡以及 PC 端的上位機(jī)進(jìn)行通信的功能，題選擇了基于3ARM Cortex-M 的嵌入式處理器 STM32F107 為主控芯片，該芯成的 PHY 控制器芯片DP83848以及 MAC 控制器形成以太網(wǎng)接口，最高可實(shí)兆網(wǎng)絡(luò)傳輸速率，能夠滿足監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精度要求，采集主控板以太網(wǎng)接口電路下圖所示。在軟件上為采集主控板移植了uCOSii操作系統(tǒng)與LWIP協(xié)議，uCO時(shí)操作系統(tǒng)有助于系統(tǒng)的可靠性與實(shí)時(shí)性，還可協(xié)調(diào)控制多任務(wù)執(zhí)行，LWIP 負(fù)責(zé)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，在本系統(tǒng)中負(fù)責(zé)接收上位機(jī)發(fā)送的指令，并根據(jù)令協(xié)調(diào)控制各個(gè)子板卡。

（1）模擬量采集板卡AIN 采集板卡主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)傳感器 4-20 mA 電流信號(hào)的采集，并將該電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為 0-3V 電壓信號(hào)。該板卡的采集精度很大程度決定最終采集到的各水質(zhì)因子數(shù)值與其實(shí)際數(shù)值的誤差，所以，本課題采用了如圖 2-5 所示的模擬量采集電路，該電路選用的運(yùn)算放大器為高精度的OP-07，其參數(shù)指標(biāo)較高；并選用由DIP-8封裝的TL431高精度穩(wěn)壓電路對(duì)運(yùn)放 -07 進(jìn)行供電，其耗散功率可達(dá) 1W，通過更改電阻便可實(shí)現(xiàn)供電電壓的更改；該電路還能實(shí)現(xiàn)滿量程的 I/V 轉(zhuǎn)換，當(dāng)輸入4 mA 信號(hào)時(shí)，可保證 ADC_IN1 端輸出電壓為 0V，當(dāng)輸入 20 mA 信號(hào)時(shí)，可保證ADC_IN1 端輸出電壓為 3V。具體實(shí)現(xiàn)為：將該電路中 R18 取值 25R，則當(dāng)輸入電流信號(hào)為4mA時(shí)，將ICD的同相輸入電壓通過R38與R46的分壓配置為-0.1V，那么輸入信號(hào)的 0.1 信號(hào)與該配置電壓完全抵消，ICC_1 輸出電壓將是 0 ；隨著輸入電流的增大，若輸入電流為滿量程電流 20mA ，經(jīng)I/V 轉(zhuǎn)換后的電壓為500mV ，最后需要通過運(yùn)放 ICC_1 實(shí)現(xiàn) 7.5 倍電壓放大的功能，具體通過電阻 R62與 R66 的分壓實(shí)現(xiàn)。傳感器信號(hào)進(jìn)行傳輸時(shí)，會(huì)有一些干擾信號(hào)，所以在信號(hào)輸入部分加入兩個(gè) 1N4148 二極管與濾波電容器 C19 以防危險(xiǎn)電壓信號(hào)出現(xiàn)。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文2.4 水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體安裝為了方便與現(xiàn)場(chǎng)各傳感器信號(hào)、電磁閥、水泵等端口的連接，需要搭建配線箱將模擬量采集板卡、數(shù)字量采集板卡、主控板卡等連接起來。其中，實(shí)驗(yàn)室配線箱實(shí)物圖如圖 2-9 左側(cè)圖所示，右側(cè)圖為在監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)與各端口連接后的實(shí)物圖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)搭建完成后，通過空氣開關(guān)上電，便可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配水與水質(zhì)監(jiān)測(cè)的功能

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2820340