CN105717013A - 一种拟合养殖水体悬浮颗粒物浓度的基于DSFs的SVR模型 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种拟合养殖水体悬浮颗粒物浓度的基于DSFs的SVR模型,包含数据处理终端，以及通过CAN总线与数据处理终端连接的用于采集悬浮物浓度的多个子检测装置；所述子检测装置包含微控制器模块、悬浮物浓度采集模块、模数转换模块、放大电路模块、数据传输模块和电源模块；所述数据处理终端包含处理器模块以及与其连接的显示模块、时钟模块、数据存储模块和数据收发模块，本发明实时将采集的水质的悬浮物浓度参数传输至数据处理终端，数据处理终端根据接收到悬浮物浓度参数，分析建模样本的曲线特征，结合测量得到的养殖水体悬浮颗粒物浓度，对比找出对悬浮物浓度敏感的响应波段，进而完成悬浮颗粒物浓度的反演。
Description
技术领域
本发明涉及一种数据采集及处理系统，尤其涉及一种拟合养殖水体悬浮颗粒物浓度的基于DSFs的SVR模型，属于数据采集及处理领域。
背景技术
水质监测是水质评价与水污染防治的主要依据，随着水体污染问题的日渐严重，水质监测成为社会经济可持续发展必须解决的重大问题。因此，快捷准确的水质监测就显得尤为重要。遥感技术的出现和发展，给水质的监测评价提供了新的机遇与选择。水环境遥感是以遥感技术为依托，通过分析水体反射、吸收和散射太阳辐射能而形成的光谱特征与水质参数浓度之间的关系，建立水质参数反演算法实现的。利用卫星遥感信息进行大面积范围内水体重要污染物质的空间分布及动态的定量分析，能够在一定程度上弥补常规采样观测时空间隔大且费时费力的缺陷和困难，可以反映水质在空间和时间上的分布和变化情况，发现一些常规方法难以揭示的污染源和污染物迁移特征，具有监测范围广、速度快、成本低和便于进行长期动态监测的优势。因此，应用遥感技术进行水质机理研究，进而研究水资源的合理利用和保护，已引起各国的日益关注，成为当前国际、国内遥感界的研究热点和难点之一。
现有的悬浮物反演模型通常利用可见光波段的遥感反射率反演悬浮颗粒物浓度，在近岸水体和大洋水体中应用的很广泛，且效果很好。但由于内陆浑浊水体和大洋水体不同，这些算法应用于内陆浑浊水体中的精度并不很高。
支持向量机就是在统计学习理论基础上发展出的一种新的通用学习方法，其优势主要体现在以下方面：它是专门针对有限样本情况下的，得到的目标是全局最优解；它可将实际问题通过非线性变换转换到高维的特征空间，在高维特征空间中构造线性判别函数，降低了算法的复杂度；SVM优化目标同时考虑了经验风险和置信范围的最小化，使得结构风险最小，从而保证其具有较好的推广能力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种拟合养殖水体悬浮颗粒物浓度的基于DSFs的SVR模型。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案
一种拟合养殖水体悬浮颗粒物浓度的基于DSFs的SVR模型,包含数据处理终端，以及通过CAN总线与数据处理终端连接的用于采集悬浮物浓度的多个子检测装置；所述子检测装置包含微控制器模块、悬浮物浓度采集模块、模数转换模块、放大电路模块、数据传输模块和电源模块；所述悬浮物浓度采集模块通过依次连接的模数转换模块、放大电路模块连接微控制器模块，所述数据传输模块和电源模块分别与微控制器模块连接；所述数据处理终端包含处理器模块以及与其连接的显示模块、时钟模块、数据存储模块和数据收发模块，所述电源模块为微控制器模块、悬浮物浓度采集模块、模数转换模块、放大电路模块和数据传输模块提供所需电能。
作为本发明一种拟合养殖水体悬浮颗粒物浓度的基于DSFs的SVR模型的进一步优选方案，所述微控制器模块和处理器模块均采用AVR系列单片机。
作为本发明一种拟合养殖水体悬浮颗粒物浓度的基于DSFs的SVR模型的进一步优选方案，所述悬浮物浓度采集模块采用FLS-100T新型光电悬浮物浓度计。
作为本发明一种拟合养殖水体悬浮颗粒物浓度的基于DSFs的SVR模型的进一步优选方案，所述数据传输模块和数据收发模块均采用GPRS无线数据传输模块。
作为本发明一种拟合养殖水体悬浮颗粒物浓度的基于DSFs的SVR模型的进一步优选方案，所述显示模块采用LCD显示屏。
作为本发明一种拟合养殖水体悬浮颗粒物浓度的基于DSFs的SVR模型的进一步优选方案，所述数据存储模块采用SD卡数据存储模块。
作为本发明一种拟合养殖水体悬浮颗粒物浓度的基于DSFs的SVR模型的进一步优选方案，所述时钟模块的芯片型号为PCF8563。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明实时将采集的水质的悬浮物浓度参数传输至数据处理终端，数据处理终端根据接收到悬浮物浓度参数，分析建模样本的曲线特征，结合测量得到的养殖水体悬浮颗粒物浓度，对比找出对悬浮物浓度敏感的响应波段，进而完成悬浮颗粒物浓度的反演；
2、本发明还设有时钟模块和数据存储模块，通过数据存储模块实时存储微控制器模块发送检测指令并处理水质的悬浮物浓度参数，通过时钟模块实时记录存储时间，有效地避免因仪器故障带来的数据丢失。
附图说明
图1是本发明的系统结构图；
图2是本发明的子检测装置的结构框图；
图3是本发明数据处理终端的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
具体实施方式如下：
如图1所示，一种拟合养殖水体悬浮颗粒物浓度的基于DSFs的SVR模型，包含数据处理终端，以及通过CAN总线与数据处理终端连接的用于采集悬浮物浓度的多个子检测装置；所述子检测装置包含微控制器模块、悬浮物浓度采集模块、模数转换模块、放大电路模块、数据传输模块和电源模块；所述悬浮物浓度采集模块通过依次连接的模数转换模块、放大电路模块连接微控制器模块，所述数据传输模块和电源模块分别与微控制器模块连接；所述数据处理终端包含处理器模块以及与其连接的显示模块、时钟模块、数据存储模块和数据收发模块，所述电源模块为微控制器模块、悬浮物浓度采集模块、模数转换模块、放大电路模块和数据传输模块提供所需电能。
其中，所述微控制器模块和处理器模块均采用AVR系列单片机，所述悬浮物浓度采集模块采用FLS-100T新型光电悬浮物浓度计，所述数据传输模块和数据收发模块均采用GPRS无线数据传输模块，所述显示模块采用LCD显示屏，所述数据存储模块采用SD卡数据存储模块，所述时钟模块的芯片型号为PCF8563。
具体工作流程如下：
悬浮物浓度采集模块采用FLS-100T新型光电悬浮物浓度计，用于实时采集养殖水体中悬浮颗粒物浓度参数，经过模数转换模块、放大电路模块依次处理将悬浮颗粒物浓度参数上传至微控制器模块，所述微控制器模块将采集的悬浮颗粒物浓度参数经过数据传输模块上传至数据处理模块，所述数据处理终端经过数据收发模块接收到子检测模块采集的养殖水体悬浮颗粒物浓度参数后，进而传输至处理器模块；
首先分析建模样本的曲线特征，结合测量得到的养殖水体悬浮颗粒物浓度，对比找出对悬浮物浓度敏感的响应波段；其次将用于建立模型的各波段处的遥感反射率和对应的悬浮物浓度作为SVR模型的训练样本，其中遥感反射率值为输入项，悬浮物浓度为输出项；
再次建立基于径向量的核函数SVR模型，并根据多次测试结果确定最佳的(C，σ)组合，其中C为惩罚系数，即对误差的宽容度，这个值越高，说明越不能容忍出现误差；而σ是选择径向基函数作为核函数后，该函数自带的一个参数，隐含地决定了数据映射到新的特征空间后的分布；训练得到精度最高的SVR模型，再用于悬浮颗粒物浓度的反演。
所述显示模块采用LCD显示屏，用于实时显示处理器模块的处理结果，即各波段处的遥感反射率和对应的悬浮物浓度；所述数据存储模块采用SD卡数据存储模块根据时钟模块记录的时间实时存储处理器模块的处理结果，显示精度最高的SVR模型，再用于悬浮颗粒物浓度的反演过程。
其中，所述微控制器模块和处理器模块均采用AVR系列单片机，所述悬浮物浓度采集模块采用FLS-100T新型光电悬浮物浓度计，所述数据传输模块和数据收发模块均采用GPRS无线数据传输模块，所述显示模块采用LCD显示屏，所述数据存储模块采用SD卡数据存储模块，所述时钟模块的芯片型号为PCF8563。
悬浮物浓度计是弗朗公司为测量市政污水或工业废水处理过程中悬浮物浓度而设计的在线分析仪表。无论是评估活性污泥和整个生物处理过程、分析净化处理后排放的废水还是检测不同阶段的污泥浓度，悬浮物污泥浓度计都能给出连续、准确的测量结果。
传感器上发射器发送的红外光在传输过程中经过被测物的吸收、反射和散射后仅有一小部分光线能照射到检测器上，透射光的透射率与被测污水的浓度有一定的关系，因此通过测量透射光的透射率就可以计算出污水的浓度。
FLS-100T新型光电悬浮物浓度计的传感器使用了四光束技术，四光束技术利用两个发射器和两个检测器，每个发射器发送的光线经过透射后照射到两个检测器上，这样就产生一系列的光路，得到一个数据矩阵，然后通过分析这些数据信号，即可得到介质中悬浮物的准确浓度，并能有效消除干扰，补偿因污染产生的偏差，使仪器能在较恶劣的环境中工作。
水产现场一般需要数据采集器完成各类数据采集任务。实际应用中要求数据采集器工作可靠,成本低廉，操作简单，便于数据收集和分析,既能与PC机联机工作又能独立采集数据。
本模块由高度集成处理器C8051F340为主控制器件，采用SD卡存储技术设计一款低成本数据采集模块。该数据采集模块可与PC机共同实现数据采集与分析,也可长时间独立工作于工业现场，并将采集数据存放于大容量SD卡（支持现有的最大SD卡8G)，便于数据收集并利用计算机分析。该数据采集模块仅采用C8051F340一个主器件，结构简单,工作稳定，体积小，成本低，现已成功用于工业现场。用于提升老的系统数据存储器扩展，该模块从RS-232串口接收需要存储的数据，顺序写入SD卡，其存储空间大，体积小，功耗低，可以集成到你的应用系统中。
AVR单片机具有预取指令功能，即在执行一条指令时，预先把下一条指令取进来，使得指令可以在一个时钟周期内执行；多累加器型，数据处理速度快；AVR单片机具有32个通用工作寄存器，相当于有32条立交桥，可以快速通行；中断响应速度快。AVR单片机有多个固定中断向量入口地址，可快速响应中断；AVR单片机耗能低。对于典型功耗情况，WDT关闭时为100nA，更适用于电池供电的应用设备；有的器件最低1.8V即可工作；AVR单片机保密性能好。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以再不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (7)
1.一种拟合养殖水体悬浮颗粒物浓度的基于DSFs的SVR模型,其特征在于：包含数据处理终端，以及通过CAN总线与数据处理终端连接的用于采集悬浮物浓度的多个子检测装置；所述子检测装置包含微控制器模块、悬浮物浓度采集模块、模数转换模块、放大电路模块、数据传输模块和电源模块；所述悬浮物浓度采集模块通过依次连接的模数转换模块、放大电路模块连接微控制器模块，所述数据传输模块和电源模块分别与微控制器模块连接；所述数据处理终端包含处理器模块以及与其连接的显示模块、时钟模块、数据存储模块和数据收发模块，所述电源模块为微控制器模块、悬浮物浓度采集模块、模数转换模块、放大电路模块和数据传输模块提供所需电能。
2.根据权利要求1所述的一种拟合养殖水体悬浮颗粒物浓度的基于DSFs的SVR模型，其特征在于：所述微控制器模块和处理器模块均采用AVR系列单片机。
3.根据权利要求1所述的一种拟合养殖水体悬浮颗粒物浓度的基于DSFs的SVR模型，其特征在于：所述悬浮物浓度采集模块采用FLS-100T新型光电悬浮物浓度计。
4.根据权利要求1所述的一种拟合养殖水体悬浮颗粒物浓度的基于DSFs的SVR模型，其特征在于：所述数据传输模块和数据收发模块均采用GPRS无线数据传输模块。
5.根据权利要求1所述的一种拟合养殖水体悬浮颗粒物浓度的基于DSFs的SVR模型，其特征在于：所述显示模块采用LCD显示屏。
6.根据权利要求1所述的一种拟合养殖水体悬浮颗粒物浓度的基于DSFs的SVR模型，其特征在于：所述数据存储模块采用SD卡数据存储模块。
7.根据权利要求1所述的一种拟合养殖水体悬浮颗粒物浓度的基于DSFs的SVR模型，其特征在于：所述时钟模块的芯片型号为PCF8563。
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