日光溫室控制系統中溫濕度采集的濾波方法

劉翼寧 陳春玲 崔琳

摘 要：針對目前日光溫室控制系統中傳感器采集的溫度濕度環境因子過程存在的干擾和故障問題，本文運用數字濾波方法中的限幅濾波、中位值濾波和算數平均值濾波三種濾波方法相結合對采集的溫濕度環境因子進行濾波，并在MATLAB軟件下對其進行建模和仿真。仿真結果表明，該濾波方法能有效的排除傳感器采集溫濕度數據過程中存在的干擾和故障。本濾波法與傳統濾波法相比較，其具有濾波數據精度高和抗干擾性能強等優點，對日光溫室控制系統中溫濕度的濾波具有良好的實用價值。

關鍵詞：數字濾波；限幅濾波；中位值濾波；算數平均值濾波

隨著計算機技術、傳感器技術和信息技術在各個領域的飛速發展和普及，自動控制系統的對控制精度的要求也越來越高，數據采集與處理系統在農業生產中也得到了廣泛的應用。在控制系統中對采集的數據處理的越精確，整個控制系統的控制精度就會越高，由于實際工作中傳感器會發生故障并且傳感器在日光溫室溫濕度采集過程中存在各種干擾，這就要求在整個控制系統設計中采取一定的措施來提高采集數據的精度，進一步提高整個控制系統的控制精度。

近年來數字濾波技術作為數據處理的重要組成部分在數字電視、通信、雷達、遙感、圖像、生物醫學以及許多工程應用領域都取得了令人矚目研究成果。隨著信息時代數字時代的到來數字濾波技術已經成為一門及其重要的科學和技術領域。隨著我國科學技術的快速發展，國內有很多專家教授在數字濾波領域展開長期的深入研究，無論是在理論方面還是在工程技術領域，都取得了很多科研成果。

本文將限幅濾波法、中位值濾波法、算數平均濾波法三種常用的濾波方法相結合設計濾波器，在MATLAB/SIMULINK下建立仿真模型，實現對傳感器采集的溫濕度環境因子的濾波。與經傳統濾波方法處理的信號相比較，經本文所提濾波方法處理的溫濕度環境因子，消除了因傳感器故障和外界干擾采集的錯誤信號，提高了數據的采集精度，進而提高了控制系統的控制精度。

1 數字濾波方法

1.1 限幅濾波法

根據經驗判斷，確定采樣允許最小下限（設為A）與最大上限（設為B），每次檢測到新值Y時，將其進行條件判斷：如果A=

1.2 中位值濾波法

對采集數據進行連續采樣N次（N取奇數），把N次采樣值按大小進行排列，取中間值為本次采樣的有效值。中位值濾波法能有效濾除因偶然因素及前置采樣器性能不穩定而引起的波動干擾，尤其是對對溫度、濕度等變化緩慢的被測參數有良好的濾波效果。

1.3 算數平均值濾波法

算數平均值濾波法是根據采樣得到的N個值X（i）（i=1～N），根據求得值Y，求得的Y值即為濾波值，并使得Y與各采樣值之間偏差的平方和最小，即：

此方法中信號的平滑濾波程度完全取決于測量信號的次數N。當N較大時，平滑度高，但靈敏度低，即外界信號的變化對測量計算結果Y的影響小；當N較小時，平滑度低，但靈敏度高。應根據具體情況選取N，從而達到計算時間短、濾波效果好的目的。根據經驗一般可取N=4～16。

2 濾波方法的應用

根據以上濾波方法的介紹和實際應用的需要，本文分別模擬10個傳感器對日光溫室中溫濕度進行采集，其中5個為溫度傳感器，5個為濕度傳感器。采集周期為24小時，采集頻率為半小時/次，每次采集分別得5個溫度信號和5個濕度信號，原理圖如圖1。首先對這5個溫度信號和5個濕度信號運用限幅法進行濾波，設溫度的限幅范圍為[20，40]，濕度的限幅范圍為[0.2，1]，經限幅法濾波后所得的溫度信號為m個，濕度信號為n個；其次將中位值法與算數平均濾波法相結合對所得的m個溫度信號和n個濕度信號進行第二次濾波，即分別去掉m個溫度信號和n個濕度信號中的最大值和最小值，剩余（m-2）個溫度信號和（n-2）個濕度信號，對（m-2）個溫度信號和（n-2）個濕度信號分別求得平均值為a、b，將a和（m-2）個溫度信號信號分別比較，根據日光溫室一天24小時溫度的變化情況及控制系統對控制精度的要求，最大偏差設為0.8℃即差值在±0.8℃之外的信號排除掉，排除之后剩余x個溫度信號，如果溫度變化情況和控制系統對控制精度的要求有變化最大偏差值可以隨時改正；將b和（n-2）個濕度信號分別比較，差值在±0.8℃的信號排除掉，排除之后剩余y個濕度信號，最后分別對x個溫度信號和y個濕度信號求平均值，求得的平均值即為濾波結果，同時作為控制系統的輸入信號。

3 仿真結果對比

冬季模式中，在日光溫室中間隔選取五個不同的位置放置5個溫度傳感器對室內溫度進行采集，在一天24小時內間隔半小時對數據進行一次取讀，溫度數據如表1所示，從表中數據和曲線圖可以看出5#傳感器由于故障停止工作，采集的數據均為0，不能對室內溫度進行準確表達。2#、3#和4#傳感器由于外界干擾分別在不同時間段出現了較大的波動。

根據圖1所示的濾波原理圖，在MATLAB/SIMULINK下搭建仿真模型，以溫度仿真信號結果為例。分別模擬5個溫度傳感器，采樣周期為24小時，采樣頻率為半小時/次，5個溫度模擬信號如圖2所示。由圖2中（2）、（3）、（4）可以看出，由于傳感器在采集溫度的過程中受到外界干擾，在某時刻采集的溫度值出現較大波動，圖2中（5）由于傳感器故障不能對溫度信號進行正常采集。

對這5個溫度信號單純利用傳統的平均值算法進行濾波所得的濾波結果如圖3（1）所示，而利用

通過比較圖3中（1）、（2）兩個濾波結果可見，用本文提出的濾波方法對5個模擬信號進行濾波后得到的結果消除了圖2中（2）、（3）、（4）的干擾信號，同時也消除了（5）的故障信號，由此可見圖3（2）比圖3（1）結果更為精確，更為接近溫度變化的實際情況，同理用本文提出的濾波方法可得濕度的濾波結果。

4 結論

為了提高日光溫室控制系統的控制精度，不僅要提高控制系統的控制能力，更要提高輸入信號的精確度。本文提出的濾波方法與傳統的濾波方法相比較，能夠及時排除因外界干擾及傳感器故障采集的錯誤信號，從而提高輸入信號的精確度，進一步提高控制系統的控制精度。

（責任編輯 亓 國）