劉翼寧 陳春玲 崔琳

摘 要：針對目前日光溫室控制系統(tǒng)中傳感器采集的溫度濕度環(huán)境因子過程存在的干擾和故障問題，本文運用數(shù)字濾波方法中的限幅濾波、中位值濾波和算數(shù)平均值濾波三種濾波方法相結(jié)合對采集的溫濕度環(huán)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(jié)果表明，該濾波方法能有效的排除傳感器采集溫濕度數(shù)據(jù)過程中存在的干擾和故障。本濾波法與傳統(tǒng)濾波法相比較，其具有濾波數(shù)據(jù)精度高和抗干擾性能強等優(yōu)點，對日光溫室控制系統(tǒng)中溫濕度的濾波具有良好的實用價值。

關(guān)鍵詞：數(shù)字濾波；限幅濾波；中位值濾波；算數(shù)平均值濾波

隨著計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)和信息技術(shù)在各個領(lǐng)域的飛速發(fā)展和普及，自動控制系統(tǒng)的對控制精度的要求也越來越高，數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也得到了廣泛的應(yīng)用。在控制系統(tǒng)中對采集的數(shù)據(jù)處理的越精確，整個控制系統(tǒng)的控制精度就會越高，由于實際工作中傳感器會發(fā)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(tǒng)設(shè)計中采取一定的措施來提高采集數(shù)據(jù)的精度，進一步提高整個控制系統(tǒng)的控制精度。

近年來數(shù)字濾波技術(shù)作為數(shù)據(jù)處理的重要組成部分在數(shù)字電視、通信、雷達、遙感、圖像、生物醫(yī)學(xué)以及許多工程應(yīng)用領(lǐng)域都取得了令人矚目研究成果。隨著信息時代數(shù)字時代的到來數(shù)字濾波技術(shù)已經(jīng)成為一門及其重要的科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域。隨著我國科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，國內(nèi)有很多專家教授在數(shù)字濾波領(lǐng)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(shù)領(lǐng)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(shù)平均濾波法三種常用的濾波方法相結(jié)合設(shè)計濾波器，在MATLAB/SIMULINK下建立仿真模型，實現(xiàn)對傳感器采集的溫濕度環(huán)境因子的濾波。與經(jīng)傳統(tǒng)濾波方法處理的信號相比較，經(jīng)本文所提濾波方法處理的溫濕度環(huán)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(shù)據(jù)的采集精度，進而提高了控制系統(tǒng)的控制精度。

1 數(shù)字濾波方法

1.1 限幅濾波法

根據(jù)經(jīng)驗判斷，確定采樣允許最小下限（設(shè)為A）與最大上限（設(shè)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(shù)據(jù)進行連續(xù)采樣N次（N取奇數(shù)），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(wěn)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(shù)有良好的濾波效果。

1.3 算數(shù)平均值濾波法

算數(shù)平均值濾波法是根據(jù)采樣得到的N個值X（i）（i=1～N），根據(jù)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(shù)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(jié)果Y的影響小；當N較小時，平滑度低，但靈敏度高。應(yīng)根據(jù)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(jù)經(jīng)驗一般可取N=4～16。

2 濾波方法的應(yīng)用

根據(jù)以上濾波方法的介紹和實際應(yīng)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(shè)溫度的限幅范圍為[20，40]，濕度的限幅范圍為[0.2，1]，經(jīng)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(shù)平均濾波法相結(jié)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(jù)日光溫室一天24小時溫度的變化情況及控制系統(tǒng)對控制精度的要求，最大偏差設(shè)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(tǒng)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(jié)果，同時作為控制系統(tǒng)的輸入信號。

3 仿真結(jié)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(nèi)溫度進行采集，在一天24小時內(nèi)間隔半小時對數(shù)據(jù)進行一次取讀，溫度數(shù)據(jù)如表1所示，從表中數(shù)據(jù)和曲線圖可以看出5#傳感器由于故障停止工作，采集的數(shù)據(jù)均為0，不能對室內(nèi)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(xiàn)了較大的波動。

根據(jù)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(jié)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(xiàn)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(tǒng)的平均值算法進行濾波所得的濾波結(jié)果如圖3（1）所示，而利用

通過比較圖3中（1）、（2）兩個濾波結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)果。

4 結(jié)論

為了提高日光溫室控制系統(tǒng)的控制精度，不僅要提高控制系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的控制精度。

（責(zé)任編輯 亓 國）